中國移動通信有限公司研究院基礎網絡技術研究所劉鵬，陸璐

關鍵詞：工業互聯網；算力路由

1　引言

工業互聯網將互聯網、云計算等技術引入工業領域的融合發展方向，將穩定實操的OT系統與敏捷靈活的IT系統以及可靠可管的CT系統結合，構建了新一代信息通信技術與工業經濟深度融合的新型基礎設施，為計算、網絡、自動化、智能化一體化發展奠定了技術基礎。工業互聯網發展之初，以網絡、平臺、安全為三大核心技術，重點在于提升制造業的網絡互聯和數據互通。經過近十年的推進，我國工業互聯網產業規模超過13619.5億元，處于穩步增長階段，近三年的年均增長率超過10%。作為工業互聯網的代表性技術，邊緣計算產業規模超過126億元，近三年增長率高達24.5%。隨著數字經濟的不斷驅動，以算力網絡等技術為代表的新型融合技術繼續推動工業互聯網走向縱深，進入到新的融合技術發展階段。

算力網絡是網絡與計算基礎設施深度融合而產生的新一代信息基礎設施，可以激發工業互聯網新的發展動力，實現靈活、高效、集約的工業再升級，而工業互聯網也可以促進算力網絡在垂直行業領域的應用。算網一體是算力網絡的目標階段，它很大程度上是互聯網IP技術的創新，是以互聯網七層/五層協議模型為基礎，引入算力因子，實現網絡和計算的一體化融合。《工業網絡3.0白皮書》^[2]中指出算網一體已經是工業互聯網的潛在應用技術。目前，算網一體已經形成以“算力路由”為核心的技術體系，可以協同云計算、邊緣計算等多級算力，實現網絡和計算的高效聯合調度，提升算網系統整體的效能，有效支撐AR/VR、車聯網、AI推理等新型業務需求。

算力路由提出于2018年，它是在網絡中引入算力因子，在傳統的BGP等核心路由技術上進一步擴展算力向量，實現網絡和計算的聯合路由。算力路由可以為用戶提供靈活的“入算”服務，在多個邊緣計算節點中選擇最合適的服務節點和相應的網絡路徑，解決邊緣計算的“性能反轉”問題。當前，IETF已經成立算力路由工作組，完成了需求、場景、架構、度量等立項。中國移動在MWC發布了全球首臺算力路由器，并結合CDN、云渲染業務等開展了5省20地市規模中試，有效驗證了算網資源利用率提升以及業務端到端平均時延降低，使我國在算力網絡領域取得重大原創性突破。本文結合工業互聯網、算力網絡的發展現狀，分析了路由技術在工業互聯網的應用前景，以及算力路由的關鍵技術在工業互聯網的部署方式。

2　工業網絡“IP化”為算力路由的應用提供基礎

路由是決定網絡報文轉發路徑的技術，是互聯網得以發展至全球互聯的核心技術之一。“路由”可以理解為“尋路”，通常考慮的是空間距離，希望選取到達給定的目的地的“最優路徑”。例如當從地點A到達地點B有多條路線時，從中選擇一條可以最快到達的路線。算力路由是指在“尋路”的基礎上，增加對計算因素的考慮，通過網絡邊緣的設備，在若干個可選擇的云資源節點中以及對應的多條網絡路徑中選擇最合適的一組，從而滿足業務的端到端低時延要求。

“工業網絡IP化”的發展趨勢促進了互聯網路由等技術在工業互聯網的應用。傳統工業網絡主要由總線和工業以太網等專用網絡組成，互聯網核心技術的應用通常僅涉及IP地址的配置。隨著工業互聯網的發展，軟件定義網絡（SDN）技術逐漸走入工廠網絡中，主要構建扁平化的工業內網絡。而工業園區網絡以及園區互聯的需求將工業網絡的范圍擴展至廣域網，SD-WAN等技術也逐漸開始應用，為互聯網技術的應用奠定了良好的基礎。CCSATC13已經制定了工業SDN/SD-WAN系列標準。

主流的工業以太網/總線與互聯網TCP/IP體系兼容，為算力路由協議在工業的應用創造可能。例如，Profinet^[3]分為“實時”和“非實時”兩種模式，前者基于Profinet定義的實時信道，提供硬實時的工業運動控制、過程控制類服務；后者基于TCP/IP協議棧，可以與互聯網路由協議互聯互通，提供工業更加普遍的工業互聯網服務。同理，Modbus-TCP^[4]也支持TCP/IP協議，構建基于TCP的Modbus應用層協議，支持更廣泛的連接接入。

綜合來看，算力路由的本質是基于互聯網IP及路由技術的創新，而工業網絡在組網和協議方面均已經開始支持IP技術和新型路由技術，同時工業體系的廣泛互聯提供了多節點間的算網綜合調度需求，兩者相向而行。具體而言，對于園區內組網，算力路由功能可以部署在支持IP網絡設備上，分別連接不同邊緣云或算力節點，提供異構算力節點間的靈活調度功能。對于園區間組網，算力路由功能可以部署在園區出口處的網絡的設備上，在多個園區之間進行算力調度，如圖1所示。

圖1 面向工業互聯網的算力路由框架

3　面向工業組網的算力路由關鍵技術應用分析

算力路由的核心技術包括算力度量、算力感知和通告以及算網聯合路由，各技術的介紹以及面向工業互聯網的應用方式如下。

3.1　算力度量在工業互聯網的應用分析

網絡的性能指標通常是用“帶寬”和“時延”等表示，但是表示算力的性能指標非常廣泛，可以包括芯片類型、計算類型、算力規模、吞吐量等多個維度。算力度量是為了找到表示統一的算力性能指標的方法，進一步用同一種“語言”表示網絡和計算性能指標。業界對于算力度量的研究成果也非常豐富，文獻^[5]很早提出了對計算分區的度量方法，文獻^[6]提出了“四面三級”算力度量技術體系，文獻^[7]對多種度量方法進行了分析。

工業互聯網生產中的業務專用性要求相對較高，差異化需求相對明顯，對通信、計算、存儲等方面的側重各有不同。對于工廠內網，算力種類的差異化更加明顯，可以針對每一種算力資源進行建模，按照任務種類區分調度；對于工廠外網，由于其所呈現的是整體節點效能，算力使用率的差異化更加明顯，可以參照已有的工作的標準進行建模，按照算力使用率進行調度。

3.2　算力感知和通告在工業互聯網的應用分析

網絡對算力資源和服務的部署位置、負載信息等進行實時感知，從而為引入計算因素的算力路由提供了信息參考，尋找最合適的計算服務節點和網絡轉發路徑。算力信息是時刻變化的，這就意味著想要獲取更加實時可用的算力信息，信息分發的頻率就需要更高，會進一步加重對網絡的負擔，因此需要基于更優的分發頻率和更準確的分發范圍來調度算力。目前業界主要采用BGP擴展來通告算力信息^[8-11]。

在工業互聯網中，工廠內網通常不涉及復雜的BGP路由配置，可以采用集中式的算力感知方法，例如通過SDN統一收集網絡信息，并能擴展接口收集算力信息；工廠外網也可以結合SD-WAN技術對算力信息進行收集。隨著工業視覺、AR/VR等業務逐漸展開應用，對網絡的時延和計算的性能同時提出了更高的要求，算力的感知將在面向未來演進的新型業務中發揮優勢，保障用戶體驗。

3.3　算網聯合路由在工業互聯網的應用分析

算網聯合路由是指在算力度量、算力感知和通告基礎上，同時考慮網絡信息和算力信息進行聯合路由。這里需要采取一定的算法，給網絡和算力分別賦予相應的權重參數，不同權重下會有不同的選擇結果。而如何設置參數需要結合業務的需求和流量特征，例如計算更敏感的業務就可以優選算力狀態好的服務節點，網絡更敏感的業務就可以優選網絡狀態好的路徑等。這其中比較常見的是基于CSPF的路由，文獻^[12-14]研究了基于OSPF擴展支持CSPF的算法。

在工業互聯網的場景中，工廠內網通常不涉及OSPF等基礎路由，且內網中網絡距離較短，對于時延等影響的比重相較于計算部分也較小，所以可以優先根據計算資源選擇服務節點；工廠外網通常為運營商網絡或基于運營商網絡構建的overlay網絡，對于時延等影響的比重較大，所以可以優先根據網絡資源或算網綜合資源情況選擇服務節點。

4　算力路由在工業互聯網的部署方式

參照IETF算力路由（Computing-Aware Traffic Steering,CATS）工作組架構^[15]的定義，算力路由主要功能組件包括CATS-轉發、CATS-路徑選擇、CATS流量分類、CATS-服務度量代理、CATS-網絡度量代理。根據實現機制和部署位置的不同，算力路由的部署方案分為集中式、分布式以及混合式等多種方式。在工業互聯網中，考慮工廠內網和工廠外網的組網、協議以及技術實現方式，算力路由應用在兩者的各組件的部署方式也會有所差異，如圖2所示。

圖2 算力路由核心功能在工業互聯網的部署方式

（1）CATS-流量分類：負責確定哪些數據包屬于算力路由服務請求的業務流。

（2）CATS-路徑選擇：執行聯合路由功能，同時考慮服務和網絡狀態信息。

（3）CATS-服務度量代理：執行算力度量功能，以及算力感知和通告功能。

（4）CATS-網絡度量代理：執行網絡度量功能，以及網絡感知和通告功能。

（5）CATS-轉發：位于路徑末端并連接到服務站點，用于轉發算力路由的流量，同時保持流粘性。

工廠內網：結合第3章各技術的分析，由于工廠內網的網絡資源情況在端到端業務中占比較小，CATS-服務度量代理起較為關鍵的作用，需要面向更加異構的算力信息進行采集和維護。相應地，CATS-路徑選擇只需考慮算力信息即可。這兩者可以部署在SDN控制器中，實現集中式算力路由。對于CATS-流量分類、CATS-網絡度量代理功能，可以弱化其功能。CATS-轉發仍然需要路由器的支持，以及SDN控制器的配置。

工廠外網：相較于工廠內網，隨著網絡規模增大，網絡資源情況在端到端業務中占比增大，所以CATS-網絡度量代理也會起較為關鍵的作用。相應地，CATS-路徑選擇需要同時考慮算力信息和網絡信息。這兩者可以部署在SD-WAN控制器中，實現集中式或混合式算力路由；也可以部署在路由器中，實現分布式算力路由。CATS-流量分類、CATS-轉發需要部署在園區出口的網關或路由器上，用以識別流量以及維護流粘性。

5　結束語

算力路由是國內首創的融合網絡和計算的代表性技術，是對互聯網IP技術的創新，國內企業已經推動算力路由成為國際認可的技術方向，并成為算力網絡的“根技術”。與工業互聯網相結合，算力路由可以助力工業互聯網中網絡資源和算力資源的靈活調度，為工業互聯網業務提供端到端的質量保障，提升工業互聯網系統的資源利用率。目前，算力路由已經面向CDN、云渲染等業務開展規模中試，亟需產業界上下游聯合推進，共同助力我國原創技術的應用部署。

作者簡介：

劉　鵬（1991-），男，高級工程師，現就職于中國移動通信有限公司研究院，主要研究方向為算力路由、算網一體、下一代IP網絡的技術和應用。

陸　璐（1979-），女，高級工程師，現就職于中國移動通信有限公司研究院基礎網絡技術研究所，主要研究方向為算網一體、6G移動核心網標準和技術研究。

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摘自《自動化博覽》2025年2月刊