中国移动通信有限公司研究院基础网络技术研究所刘鹏，陆璐

关键词：工业互联网；算力路由

1　引言

工业互联网将互联网、云计算等技术引入工业领域的融合发展方向，将稳定实操的OT系统与敏捷灵活的IT系统以及可靠可管的CT系统结合，构建了新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施，为计算、网络、自动化、智能化一体化发展奠定了技术基础。工业互联网发展之初，以网络、平台、安全为三大核心技术，重点在于提升制造业的网络互联和数据互通。经过近十年的推进，我国工业互联网产业规模超过13619.5亿元，处于稳步增长阶段，近三年的年均增长率超过10%。作为工业互联网的代表性技术，边缘计算产业规模超过126亿元，近三年增长率高达24.5%。随着数字经济的不断驱动，以算力网络等技术为代表的新型融合技术继续推动工业互联网走向纵深，进入到新的融合技术发展阶段。

算力网络是网络与计算基础设施深度融合而产生的新一代信息基础设施，可以激发工业互联网新的发展动力，实现灵活、高效、集约的工业再升级，而工业互联网也可以促进算力网络在垂直行业领域的应用。算网一体是算力网络的目标阶段，它很大程度上是互联网IP技术的创新，是以互联网七层/五层协议模型为基础，引入算力因子，实现网络和计算的一体化融合。《工业网络3.0白皮书》^[2]中指出算网一体已经是工业互联网的潜在应用技术。目前，算网一体已经形成以“算力路由”为核心的技术体系，可以协同云计算、边缘计算等多级算力，实现网络和计算的高效联合调度，提升算网系统整体的效能，有效支撑AR/VR、车联网、AI推理等新型业务需求。

算力路由提出于2018年，它是在网络中引入算力因子，在传统的BGP等核心路由技术上进一步扩展算力向量，实现网络和计算的联合路由。算力路由可以为用户提供灵活的“入算”服务，在多个边缘计算节点中选择最合适的服务节点和相应的网络路径，解决边缘计算的“性能反转”问题。当前，IETF已经成立算力路由工作组，完成了需求、场景、架构、度量等立项。中国移动在MWC发布了全球首台算力路由器，并结合CDN、云渲染业务等开展了5省20地市规模中试，有效验证了算网资源利用率提升以及业务端到端平均时延降低，使我国在算力网络领域取得重大原创性突破。本文结合工业互联网、算力网络的发展现状，分析了路由技术在工业互联网的应用前景，以及算力路由的关键技术在工业互联网的部署方式。

2　工业网络“IP化”为算力路由的应用提供基础

路由是决定网络报文转发路径的技术，是互联网得以发展至全球互联的核心技术之一。“路由”可以理解为“寻路”，通常考虑的是空间距离，希望选取到达给定的目的地的“最优路径”。例如当从地点A到达地点B有多条路线时，从中选择一条可以最快到达的路线。算力路由是指在“寻路”的基础上，增加对计算因素的考虑，通过网络边缘的设备，在若干个可选择的云资源节点中以及对应的多条网络路径中选择最合适的一组，从而满足业务的端到端低时延要求。

“工业网络IP化”的发展趋势促进了互联网路由等技术在工业互联网的应用。传统工业网络主要由总线和工业以太网等专用网络组成，互联网核心技术的应用通常仅涉及IP地址的配置。随着工业互联网的发展，软件定义网络（SDN）技术逐渐走入工厂网络中，主要构建扁平化的工业内网络。而工业园区网络以及园区互联的需求将工业网络的范围扩展至广域网，SD-WAN等技术也逐渐开始应用，为互联网技术的应用奠定了良好的基础。CCSATC13已经制定了工业SDN/SD-WAN系列标准。

主流的工业以太网/总线与互联网TCP/IP体系兼容，为算力路由协议在工业的应用创造可能。例如，Profinet^[3]分为“实时”和“非实时”两种模式，前者基于Profinet定义的实时信道，提供硬实时的工业运动控制、过程控制类服务；后者基于TCP/IP协议栈，可以与互联网路由协议互联互通，提供工业更加普遍的工业互联网服务。同理，Modbus-TCP^[4]也支持TCP/IP协议，构建基于TCP的Modbus应用层协议，支持更广泛的连接接入。

综合来看，算力路由的本质是基于互联网IP及路由技术的创新，而工业网络在组网和协议方面均已经开始支持IP技术和新型路由技术，同时工业体系的广泛互联提供了多节点间的算网综合调度需求，两者相向而行。具体而言，对于园区内组网，算力路由功能可以部署在支持IP网络设备上，分别连接不同边缘云或算力节点，提供异构算力节点间的灵活调度功能。对于园区间组网，算力路由功能可以部署在园区出口处的网络的设备上，在多个园区之间进行算力调度，如图1所示。

图1 面向工业互联网的算力路由框架

3　面向工业组网的算力路由关键技术应用分析

算力路由的核心技术包括算力度量、算力感知和通告以及算网联合路由，各技术的介绍以及面向工业互联网的应用方式如下。

3.1　算力度量在工业互联网的应用分析

网络的性能指标通常是用“带宽”和“时延”等表示，但是表示算力的性能指标非常广泛，可以包括芯片类型、计算类型、算力规模、吞吐量等多个维度。算力度量是为了找到表示统一的算力性能指标的方法，进一步用同一种“语言”表示网络和计算性能指标。业界对于算力度量的研究成果也非常丰富，文献^[5]很早提出了对计算分区的度量方法，文献^[6]提出了“四面三级”算力度量技术体系，文献^[7]对多种度量方法进行了分析。

工业互联网生产中的业务专用性要求相对较高，差异化需求相对明显，对通信、计算、存储等方面的侧重各有不同。对于工厂内网，算力种类的差异化更加明显，可以针对每一种算力资源进行建模，按照任务种类区分调度；对于工厂外网，由于其所呈现的是整体节点效能，算力使用率的差异化更加明显，可以参照已有的工作的标准进行建模，按照算力使用率进行调度。

3.2　算力感知和通告在工业互联网的应用分析

网络对算力资源和服务的部署位置、负载信息等进行实时感知，从而为引入计算因素的算力路由提供了信息参考，寻找最合适的计算服务节点和网络转发路径。算力信息是时刻变化的，这就意味着想要获取更加实时可用的算力信息，信息分发的频率就需要更高，会进一步加重对网络的负担，因此需要基于更优的分发频率和更准确的分发范围来调度算力。目前业界主要采用BGP扩展来通告算力信息^[8-11]。

在工业互联网中，工厂内网通常不涉及复杂的BGP路由配置，可以采用集中式的算力感知方法，例如通过SDN统一收集网络信息，并能扩展接口收集算力信息；工厂外网也可以结合SD-WAN技术对算力信息进行收集。随着工业视觉、AR/VR等业务逐渐展开应用，对网络的时延和计算的性能同时提出了更高的要求，算力的感知将在面向未来演进的新型业务中发挥优势，保障用户体验。

3.3　算网联合路由在工业互联网的应用分析

算网联合路由是指在算力度量、算力感知和通告基础上，同时考虑网络信息和算力信息进行联合路由。这里需要采取一定的算法，给网络和算力分别赋予相应的权重参数，不同权重下会有不同的选择结果。而如何设置参数需要结合业务的需求和流量特征，例如计算更敏感的业务就可以优选算力状态好的服务节点，网络更敏感的业务就可以优选网络状态好的路径等。这其中比较常见的是基于CSPF的路由，文献^[12-14]研究了基于OSPF扩展支持CSPF的算法。

在工业互联网的场景中，工厂内网通常不涉及OSPF等基础路由，且内网中网络距离较短，对于时延等影响的比重相较于计算部分也较小，所以可以优先根据计算资源选择服务节点；工厂外网通常为运营商网络或基于运营商网络构建的overlay网络，对于时延等影响的比重较大，所以可以优先根据网络资源或算网综合资源情况选择服务节点。

4　算力路由在工业互联网的部署方式

参照IETF算力路由（Computing-Aware Traffic Steering,CATS）工作组架构^[15]的定义，算力路由主要功能组件包括CATS-转发、CATS-路径选择、CATS流量分类、CATS-服务度量代理、CATS-网络度量代理。根据实现机制和部署位置的不同，算力路由的部署方案分为集中式、分布式以及混合式等多种方式。在工业互联网中，考虑工厂内网和工厂外网的组网、协议以及技术实现方式，算力路由应用在两者的各组件的部署方式也会有所差异，如图2所示。

图2 算力路由核心功能在工业互联网的部署方式

（1）CATS-流量分类：负责确定哪些数据包属于算力路由服务请求的业务流。

（2）CATS-路径选择：执行联合路由功能，同时考虑服务和网络状态信息。

（3）CATS-服务度量代理：执行算力度量功能，以及算力感知和通告功能。

（4）CATS-网络度量代理：执行网络度量功能，以及网络感知和通告功能。

（5）CATS-转发：位于路径末端并连接到服务站点，用于转发算力路由的流量，同时保持流粘性。

工厂内网：结合第3章各技术的分析，由于工厂内网的网络资源情况在端到端业务中占比较小，CATS-服务度量代理起较为关键的作用，需要面向更加异构的算力信息进行采集和维护。相应地，CATS-路径选择只需考虑算力信息即可。这两者可以部署在SDN控制器中，实现集中式算力路由。对于CATS-流量分类、CATS-网络度量代理功能，可以弱化其功能。CATS-转发仍然需要路由器的支持，以及SDN控制器的配置。

工厂外网：相较于工厂内网，随着网络规模增大，网络资源情况在端到端业务中占比增大，所以CATS-网络度量代理也会起较为关键的作用。相应地，CATS-路径选择需要同时考虑算力信息和网络信息。这两者可以部署在SD-WAN控制器中，实现集中式或混合式算力路由；也可以部署在路由器中，实现分布式算力路由。CATS-流量分类、CATS-转发需要部署在园区出口的网关或路由器上，用以识别流量以及维护流粘性。

5　结束语

算力路由是国内首创的融合网络和计算的代表性技术，是对互联网IP技术的创新，国内企业已经推动算力路由成为国际认可的技术方向，并成为算力网络的“根技术”。与工业互联网相结合，算力路由可以助力工业互联网中网络资源和算力资源的灵活调度，为工业互联网业务提供端到端的质量保障，提升工业互联网系统的资源利用率。目前，算力路由已经面向CDN、云渲染等业务开展规模中试，亟需产业界上下游联合推进，共同助力我国原创技术的应用部署。

作者简介：

刘　鹏（1991-），男，高级工程师，现就职于中国移动通信有限公司研究院，主要研究方向为算力路由、算网一体、下一代IP网络的技术和应用。

陆　璐（1979-），女，高级工程师，现就职于中国移动通信有限公司研究院基础网络技术研究所，主要研究方向为算网一体、6G移动核心网标准和技术研究。

参考文献：

 [1] 工业互联网产业联盟(AII). 工业互联网技术产业创新报告[R]. 2024.

[2] 工业互联网产业联盟(AII). 工业网络3.0白皮书[R]. 2023.

[3] Application Layer protocol for decentralized periphery and distributed automation, Specification for PROFINET, Version 2.3, October 2010, Order No.: 2.722, PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. (PNO)

[4] Drury B. Control techniques drives and controls handbook (PDF) 2nd. Institution of engineering and technology, 2009: 508.

[5] Day W H E. The complexity of computing metric distances between partitions[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis & Machine Intelligence, 1984, 1 (3) : 269 - 287.

[6] 杜宗鹏, 李志强, 陆璐. 算力网络四面三级算力度量技术体系[J]. 中兴通讯技术, 2023, 29 (4) : 8 - 13.

[7] 乔楚. 算力度量与算网资源调度思路分析[J]. 通信技术, 2022, 55 (9) : 6.

[8] 赵锋, 苏金树, 王宝生. ATS: 一种基于通告时间戳的BGP收敛性改进机制[J]. 国防科技大学学报, 2006, 28 (003) : 54 - 58.

 [9] Ziying H U, Tao Z, 胡字滢, et al. Improving BGP convergence through route update chain基于路由更新链的BGP收敛 性改进机制[J]. 计算机应用研究, 2011, 28 (9) : 3481 - 3484.

[10] &Lt D K , Com&Gt D. Multiprotocol extensions for BGP-4[J]. Proc acm sigcomm, 2007: 5246.

[11] Griffin T G, Wilfong G. An analysis of BGP convergence properties[J]. Acm sigcomm computer communication review, 1999.

[12] Jamadagni S. OSPF extensions for flexible CSPF algorithm support[J]. 2002.

[13] Menth M, Reifert A. CSPF routed and traffic-driven construction of LSP hierarchies[J]. Department of Distributed Systems, Institute of Computer Science, University of Wuerzburg, Am Hubland, 97074 Wuerzburg, Germany, 2003.

[14] 郝立刚, 耿昕. OSPF的流量工程扩展和CSPF路由算法研究[J]. 无线电通信技术, 2004, 30 (6) : 3.

[15] IETF. Official website of the IETF computing-aware traffic steering(cats) working group[S]. [Online Available].

摘自《自动化博览》2025年2月刊