工業互聯網“咖”解丨確定性網絡是推進新型工業化的重要基礎
作者：中國工程院院士 劉韻潔
近日，習近平總書記指出，新時代新征程，以中國式現代化全面推進強國建設、民族復興偉業，實現新型工業化是關鍵任務。新型工業化就是以數字化、網絡化、智能化為主要特征的新工業形態，其中網絡是重要的基礎。根據工業和信息化部數據，截至今年9月底，我國累計建設5G基站318.9萬個，5G行業虛擬專網超2萬個，已建成全球規模最大、技術領先的5G網絡，為我國推進新型工業化奠定了強大的物質技術基礎。然而，由于傳統互聯網體系架構的制約，5G難以在垂直行業應用方面發揮更大作用。
前不久，習近平總書記在南京紫金山實驗室考察調研時強調，現在信息技術飛速發展，顛覆性技術隨時可能出現，要走求實扎實的創新路子，為實現高水平科技自立自強立下功勛。習近平總書記仔細聽取最新情況介紹，對科研團隊取得的進展給予充分肯定。習近平總書記叮囑當地負責同志：“要把握機遇、再立新功，一心一意做好這件事。黨中央會關注和支持你們。”
當前，全球數字經濟蓬勃發展，新經濟形態對以網絡為核心的信息技術提出新的挑戰。面對互聯網發展從消費領域向實體經濟過渡的重大歷史機遇，發展確定性網絡成為推進新型工業化的重要基礎。
新型工業化對網絡提出重大挑戰 加快推動傳統制造業數字化轉型升級是我國推進新型工業化，構建現代化產業體系的核心要義，也是根本途徑。傳統行業轉型升級在數字化、網絡化、智能化過程中存在諸多桎梏，“盡力而為”的傳統互聯網難以滿足數字經濟發展需求，迫切需要對網絡架構做出變革。 數字化方面，以工業制造業為例，中國工業經濟聯合會發布了2023工業數字化轉型評價綜合指數，從整體評價看，樣本數字化轉型綜合指數為62.7，大部分企業處在系統集成階段和平臺支撐階段，可以說我國工業互聯網發展目前仍處于初級階段。一方面，由于我國工業起步晚，以工業控制軟件為代表的工業核心技術依然以國外為主導。工業控制軟件的“七國八制”導致企業內部各經營環節，上下游產業鏈之間難以協同互通，更不能滿足PLC云化、海量數據實時采集等新業務低時延、高可靠的確定性要求。 國際電工委員會（IEC）正在牽頭制定分布式工業控制標準，美國能源部（DOE）基于時延敏感網絡（TSN）技術開展了安全可靠的確定性電力及工控通信網絡研究，并制定了相關標準。發展能夠滿足未來工業互聯網各種場景需求的確定性網絡已經成為業界的普遍共識。 網絡化方面，傳統產業面臨數字化轉型升級的同時，數字經濟新形態、新業務蓬勃發展。不同應用場景對網絡的要求也各不相同，工業制造場景下，PLC云化、遠程控制、遠程遙操作、協同設計、協同制造等需求更關注網絡的低時延和高可靠性。以AR/VR、元宇宙為代表的新數字業務則對網絡提出了更高速率、更低丟包、更低時延，以及業務靈活部署的能力。 發展確定性網絡，構建滿足不同場景需求的網絡服務能力正在成為國際共識。IETF在2015年10月成立DetNet工作小組，側重研究為網絡層數據傳輸提供確定性延遲、丟包、抖動以及高可靠性的標準和能力；3GPP于R16、R17、R18標準先后支持IEEE TSN協議的5G網絡系統，確立5G系統的確定性機制并進行標準化；工業互聯網產業聯盟啟動了“時間敏感網絡（TSN）產業鏈名錄活動”。 可以說，確定性網絡正在成為未來網絡產業的核心，也將成為我國發展數字經濟，推進新型工業化的重要基礎。 智能化方面，大模型的發展賦予了數字經濟更多可能性，也讓算力的概念得到越來越多的關注，公開資料顯示，ChatGPT-4包含1.8萬億參數，訓練一次所需要的FLOPS約為2.15e25，需要在大約25000個A100 GPU上訓練90到100天。為保持在算力及大模型發展上的領先，美國對我國實施高端GPU芯片禁運。因此，對我國來說，想要發展自己的大模型只能通過網絡把分散的數據中心連接起來，形成算力集群，開展協同計算，以此來彌補單個數據中心算力不足的劣勢。構建無損確定性廣域傳輸的網絡能力成為算力廣域高效傳輸互聯，以及大模型發展的關鍵。 同時，眾所周知互聯網的上半場由美國主導，加上算力資源的優勢，在通用大模型的發展上，美國一直處于領先地位。但是，我國是世界上最大的制造業國家，也是世界上唯一擁有聯合國產業分類當中全部工業門類的國家，而且大部分的產業數據還沒有上網，還沒有被“爬”走，這是我們發展行業大模型的重要基礎和寶貴財富。發展行業大模型是新型工業化的必由之路。 如何在滿足傳統行業數字化轉型，企業上云、上網的基礎上，又能充分利用好、管理好、保護好我們千行百業的大數據，成為我們推進新型工業化必須要解決的重要問題，也對網絡提出了更高要求。 確定性網絡為新型工業化提供關鍵能力支撐 2013年，在中國工程院一批院士的建議下，我國將未來網絡試驗設施（CENI）項目列入《國家重大科技基礎設施建設中長期規劃（2012—2030年）》。未來網絡科研團隊經過十余年的不懈努力，系統性攻克了未來網絡關鍵技術，構建了基于服務定制架構（SCN）的未來網絡試驗設施（CENI），并成功開通了覆蓋全國38個城市的廣域確定性網絡，在100%網絡負載、經13個城市網絡節點、跨10000公里距離、10000條確定性業務情況下，實現零丟包、時延抖動小于50μs。可賦能工業制造、能源互聯網、元宇宙等對網絡質量要求很高的數字經濟重大應用，為我國推進新型工業化提供關鍵能力支撐。 一是數字化能力。傳統制造業數字化轉型升級高度依賴于工業互聯網技術的發展，其中時間敏感網絡（TSN）作為新型確定性網絡技術，具備萬兆級的帶寬容量、微秒級低時延傳輸、納秒級精準同步精度、全業務的共網傳輸能力，其作為下一代工業網絡、能源網絡、車載網絡等演進方向，已成為業內共識。由我國科研團隊自主研發的PML-TSN控制器，基于軟件定義網絡的解決方案，實現了網絡規劃、流量配置、調度計算等一系列功能，可以支持國內外主流TSN交換機設備，為我國工業互聯網高質量發展提供關鍵支撐。 二是網絡化能力。基于未來網絡試驗設施構建的確定性網絡，就像“網絡高鐵”一樣，可以實現對網絡帶寬、路徑、時延、抖動等的高精度控制，可滿足未來工業自動化、工業遙操作、全息通信、車路協同等不同業務的定制化需求。另外，確定性網絡對于滿足未來大算力場景下，數據高通量、跨廣域無損傳輸需求具有明顯優勢。科研團隊基于CENI現網測試的結果表明，確定性網絡技術的傳輸效率遠遠優于傳統網絡技術，如相較于FTP協議、QUIC協議等效率可提升十幾倍，甚至數十倍，且對于網絡延時、丟包的魯棒性要更好。 三是智能化能力。基于未來網絡試驗設施（CENI）構建的廣域確定性網絡，具備“軟硬切片融合”“在線流量調度”“多業務按需服務”等關鍵技術能力，是一張可以為不同行業提供公用專網（PPnet）服務的網絡，可為各行業數據傳輸提供專網一樣的質量、效率和安全保障，又可以像傳統公用互聯網一樣靈活、方便和經濟。從而保護好行業大數據的安全，基于自身優勢發展好行業大模型，實現在人工智能大模型賽道上的彎道超車。 結語 確定性網絡是我國為數不多領先國際近十年的重大布局，有望解決傳統互聯網擁塞無序的問題，推動互聯網從“盡力而為”到“確保所需”的技術體系變革。能夠滿足工業互聯網、元宇宙、人工智能大模型等不同場景的網絡需求，目前已經在“東數西算”“碳中和”“碳達峰”“航空航天”等國家戰略中發揮關鍵作用。 但在新技術應用推廣方面，我國與發達國家仍然有差距。我們要抓住這一重大機遇，發揮我國集中力量辦大事的制度優勢，出臺相關政策支持，突破更多確定性網絡核心技術，發展確定性網絡相關產業生態，實現核心標準、芯片、設備等自主可控。打通確定性網絡與各行業互聯互通的關鍵環節，真正構建起能夠服務千行百業數字化、智能化發展的“信息大動脈”，才能助力我國新型工業化建設，助力我國從制造業大國發展為制造業強國。 文章來源：人民郵電報
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