張 維 陳興平

網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室

0 引言

工信部《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出信息通信行業(yè)要承擔(dān)攻克相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)難題、促進(jìn)全球信息通信領(lǐng)域緊密聯(lián)動(dòng)的歷史使命，并列出了6 大類(lèi)共20 個(gè)量化目標(biāo)，聚焦新基建。但當(dāng)前以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為融合紐帶的5G、邊緣計(jì)算、云計(jì)算等方向的技術(shù)創(chuàng)新與突破卻面臨著試驗(yàn)平臺(tái)大多不具備端到端能力、專(zhuān)業(yè)單一、剛性不可定制等困難和挑戰(zhàn)。本文以紫金山實(shí)驗(yàn)室綜合試驗(yàn)平臺(tái)為例，探討了未來(lái)面向通信信息新技術(shù)創(chuàng)新與突破的綜合試驗(yàn)平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)和作用。

1 宏觀(guān)背景

1.1 新基建

新基建內(nèi)涵上“新”表達(dá)了“基于新一代信息技術(shù)演化生成的基礎(chǔ)設(shè)施”，分別是通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、新技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施、算力基礎(chǔ)設(shè)施，具體又涵蓋了5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、數(shù)據(jù)中心等，如圖1 所示。

圖1 信息基礎(chǔ)設(shè)施組成

外延上向融合基礎(chǔ)設(shè)施和創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施兩個(gè)方向延伸。融合基礎(chǔ)設(shè)施面向新技術(shù)應(yīng)用，傳統(tǒng)基建轉(zhuǎn)型升級(jí)；創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施面向產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，支撐科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品研制，綜合試驗(yàn)平臺(tái)屬于這類(lèi)延伸。隨著“十四五”開(kāi)啟，新基建將是驅(qū)動(dòng)行業(yè)發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要力量。

1.2 “十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃

2021 年11 月1 日工信部發(fā)布了《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，重點(diǎn)提出以下幾個(gè)方面的發(fā)展：（1）通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施保持國(guó)際先進(jìn)水平。涉及5G 廣度上全面覆蓋、重點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景深度覆蓋，顯著提升骨干網(wǎng)資源調(diào)度智能化水平，整體性能保持國(guó)際一流水平等。（2）數(shù)據(jù)與算力設(shè)施服務(wù)能力顯著增強(qiáng)。這一方面含義較多，包括了數(shù)網(wǎng)協(xié)同、數(shù)云協(xié)同、云邊協(xié)同、綠色智能要求，規(guī)劃期末要實(shí)現(xiàn)算力水平大幅提升，人工智能、區(qū)塊鏈等設(shè)施服務(wù)能力顯著增強(qiáng)。（3）融合基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)突破。融合的重點(diǎn)是“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”和蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)“C-V2X”兩個(gè)方向，涉及覆蓋面、標(biāo)桿應(yīng)用、標(biāo)識(shí)解析體系、平臺(tái)建設(shè)等方面。（4）數(shù)字化應(yīng)用水平大幅提升。規(guī)劃提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用范圍向生產(chǎn)制造核心環(huán)節(jié)持續(xù)延伸，上云、上平臺(tái)企業(yè)數(shù)量大幅提升。（5）網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全保障能力有效提升。規(guī)劃提出新型數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施融合安全保障能力顯著增強(qiáng)。這五個(gè)方面與“新基建”相呼應(yīng)，規(guī)劃體系化梳理了行業(yè)發(fā)展定量目標(biāo)，提出的20 個(gè)量化目標(biāo)中“新基建”相關(guān)指標(biāo)占比較高。

2 “十四五”期間的挑戰(zhàn)

新基建包含七大方向，其中工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)被普遍認(rèn)為是重點(diǎn)方向，將為新一代信息技術(shù)的集群性突破、協(xié)同創(chuàng)新與融合創(chuàng)新應(yīng)用帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是5G、邊緣計(jì)算、云計(jì)算、工業(yè)大數(shù)據(jù)、新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)軟件等，這些領(lǐng)域與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展相輔相成。在此基礎(chǔ)之上，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景，如數(shù)字孿生之于研發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理、工業(yè)相機(jī)之于產(chǎn)品質(zhì)檢、智能機(jī)器人之于生產(chǎn)巡檢、智能駕駛之于物流配送等。

可見(jiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新基建七大領(lǐng)域的融合紐帶，開(kāi)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究將帶動(dòng)包括5G/6G、人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等一大批新一代信息技術(shù)的研究創(chuàng)新。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與5G、人工智能、數(shù)字孿生、云計(jì)算等結(jié)合可實(shí)現(xiàn)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，與特高壓、新能源充電樁結(jié)合可成為智能電網(wǎng)的重要應(yīng)用，與城際軌道交通結(jié)合可成為智能軌道交通體系。如圖2 所示。

圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在新基建中的紐帶作用

相比于傳統(tǒng)的工業(yè)運(yùn)營(yíng)技術(shù)和信息化技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的復(fù)雜程度更高，部署和運(yùn)營(yíng)難度更大，研發(fā)基礎(chǔ)薄弱，應(yīng)用場(chǎng)景多樣，面臨諸多困難和挑戰(zhàn)，需要不斷研究、探索、試錯(cuò)，而當(dāng)前試驗(yàn)環(huán)境存在以下挑戰(zhàn)：

（1）缺乏具備端到端能力的試驗(yàn)環(huán)境

網(wǎng)絡(luò)體系是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系將連接對(duì)象延伸到工業(yè)全系統(tǒng)、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈，可實(shí)現(xiàn)人、物品、機(jī)器、車(chē)間、企業(yè)等全要素，以及設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等各環(huán)節(jié)的泛在深度互聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)體系包括網(wǎng)絡(luò)與聯(lián)接、標(biāo)識(shí)解析、邊緣計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)。這使得工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究前所未有的依賴(lài)端到端、全程全網(wǎng)、云邊端融合的網(wǎng)絡(luò)保障，希望在一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)模擬5G 網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)內(nèi)網(wǎng)、企業(yè)外網(wǎng)、云平臺(tái)、高算力、區(qū)塊鏈、網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)等環(huán)境，但當(dāng)前國(guó)內(nèi)甚至放眼全球都缺乏這樣的試驗(yàn)環(huán)境。

（2）特定行業(yè)的平臺(tái)落地缺少方法論和端到端解決方案

我國(guó)采用國(guó)外開(kāi)源架構(gòu)的PaaS 平臺(tái)的企業(yè)占到50%，缺乏工業(yè)機(jī)理模型和殺手級(jí)工業(yè)應(yīng)用，數(shù)據(jù)分級(jí)、流轉(zhuǎn)交易等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不健全，工業(yè)信息化安全防護(hù)手段和機(jī)制不完善，大部分企業(yè)僅能實(shí)現(xiàn)局部改造，尚不能進(jìn)行系統(tǒng)性的平臺(tái)解決方案落地實(shí)施。

（3）試驗(yàn)環(huán)境剛性強(qiáng)、定制化能力有不足

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用種類(lèi)繁多、形式多樣，需調(diào)用的資源涉及網(wǎng)絡(luò)、云、算力等中的一部分或全部，然而一般情況下試驗(yàn)環(huán)境都是為實(shí)現(xiàn)特定研究目標(biāo)而搭建，功能指向性強(qiáng)、設(shè)備種類(lèi)少、拓?fù)涔袒?，因而泛用性弱，往往只能滿(mǎn)足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的一類(lèi)應(yīng)用、一個(gè)或多個(gè)環(huán)節(jié)，當(dāng)需求變化時(shí)往往需要另起爐灶，新建環(huán)境。

（4）試驗(yàn)環(huán)境易用性、可靠性不高

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對(duì)業(yè)務(wù)的時(shí)效性、網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求較高，且由于參與的企業(yè)工程師的職業(yè)環(huán)境使得他們對(duì)系統(tǒng)易用性要求也高于科研人員。國(guó)內(nèi)部分對(duì)外開(kāi)放的試驗(yàn)環(huán)境具有業(yè)務(wù)系統(tǒng)，但更多試驗(yàn)設(shè)施不具備。在具備業(yè)務(wù)系統(tǒng)的開(kāi)放試驗(yàn)環(huán)境中，相當(dāng)一部分也僅具備業(yè)務(wù)申請(qǐng)功能，業(yè)務(wù)開(kāi)通和配置仍然依賴(lài)人工，因此效率相對(duì)較低。另一方面由于試驗(yàn)設(shè)施的科研屬性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障敏感度不高，設(shè)施架構(gòu)上沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)級(jí)保護(hù)或冗余，因此可靠性較低。

3 綜合試驗(yàn)平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)和作用展望

為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)、抓住發(fā)展機(jī)遇，亟需建成一批兼具融合基礎(chǔ)設(shè)施和創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施特性的綜合試驗(yàn)平臺(tái)，以支撐新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的科學(xué)研究、新的生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)發(fā)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品研制。

紫金山實(shí)驗(yàn)室在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的科研實(shí)踐中也同樣遭遇的上述挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，實(shí)驗(yàn)室在頂層規(guī)劃中提出了建設(shè)綜合試驗(yàn)平臺(tái)。綜合試驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)建設(shè)“自主創(chuàng)新、開(kāi)放、可編程”的資源層，構(gòu)建了包含5G/6G、新型骨干網(wǎng)、擬態(tài)設(shè)備的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)施，解決了相關(guān)研究對(duì)端到端環(huán)境的要求；通過(guò)建設(shè)“統(tǒng)一融合、可管可控”的管控層，為科研和示范應(yīng)用提供“柔性、智能、安全、可定制的服務(wù)”；通過(guò)建設(shè)新型運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)和一體化安全體系，提高了試驗(yàn)環(huán)境的易用性和可靠性。

紫金山實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的綜合試驗(yàn)平臺(tái)具有一定的代表性，其頂層架構(gòu)規(guī)劃、演進(jìn)路線(xiàn)、服務(wù)能力可為國(guó)內(nèi)類(lèi)似試驗(yàn)平臺(tái)的規(guī)劃建設(shè)提供借鑒。如圖3 所示。

圖3 綜合試驗(yàn)平臺(tái)頂層規(guī)劃

3.1 綜合試驗(yàn)平臺(tái)向大規(guī)模、一站式、端到端全綜合方向發(fā)展

一個(gè)平臺(tái)包含確定性服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)、5G/6G 試驗(yàn)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)安全試驗(yàn)場(chǎng)、新型云試驗(yàn)設(shè)施、AI 算力、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)等能力?？蛇M(jìn)行網(wǎng)絡(luò)先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，及可滿(mǎn)足系統(tǒng)級(jí)芯片、未來(lái)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、天地一體化網(wǎng)絡(luò)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)生安全體系架構(gòu)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等大量基礎(chǔ)技術(shù)和重大試驗(yàn)驗(yàn)證需求，從多層次多維度探索和研究新的基礎(chǔ)理論、新思路和新技術(shù)或方法，服務(wù)新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證。如圖4 所示。

圖4 綜合試驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施組成

3.2 提供端到端、智能、柔性、安全、可定制的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境

作為融合基礎(chǔ)設(shè)施，面向全國(guó)工業(yè)企業(yè)，提供智能、柔性、可定制的應(yīng)用示范環(huán)境。各工業(yè)企業(yè)可采用自定義、自服務(wù)的形式，一鍵端到端開(kāi)通應(yīng)用環(huán)境切片，滿(mǎn)足企業(yè)各類(lèi)生產(chǎn)對(duì)具備內(nèi)生安全高可靠、低時(shí)延、確定性、大帶寬等不同能力的應(yīng)用環(huán)境的需要。如圖5 所示。

圖5 綜合試驗(yàn)平臺(tái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境

3.3 開(kāi)放、領(lǐng)先，可開(kāi)展國(guó)際領(lǐng)先的科研攻關(guān)任務(wù)和公共測(cè)試認(rèn)證

作為創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施，面向全國(guó)高校、科研院所，構(gòu)建端到端開(kāi)放、深度可編程的試驗(yàn)環(huán)境，打造細(xì)粒度可見(jiàn)、可驗(yàn)證、閉環(huán)控制的綜合試驗(yàn)床，開(kāi)展公共測(cè)試認(rèn)證，以支撐豐富的科學(xué)研究與驗(yàn)證，以定制化形式滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)商、電力、專(zhuān)用場(chǎng)景等國(guó)家體制產(chǎn)業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)、云資源等的特殊需求。如圖6所示。

圖6 綜合試驗(yàn)平臺(tái)科研創(chuàng)新環(huán)境

3.4 如圖書(shū)館般便捷易用、穩(wěn)定可靠

為科學(xué)研究、技術(shù)創(chuàng)新提供全生命周期服務(wù)，研究人員跳離環(huán)境搭建和維護(hù)、業(yè)務(wù)開(kāi)通和配置等繁瑣事務(wù)，只需專(zhuān)注于試驗(yàn)流程和測(cè)量數(shù)據(jù)的結(jié)果。綜合試驗(yàn)平臺(tái)可類(lèi)比智慧圖書(shū)館，具備以下能力。如圖7 所示。

（1）業(yè)務(wù)可定義：設(shè)計(jì)靈活，網(wǎng)絡(luò)定制，試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)和業(yè)務(wù)配置如新書(shū)購(gòu)入般按需而定。

（2）運(yùn)營(yíng)智能化：基于人工智能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)智能化、少人化，業(yè)務(wù)編排敏捷、一鍵開(kāi)通，如圖書(shū)借閱般便捷。

圖7 綜合試驗(yàn)平臺(tái)創(chuàng)新服務(wù)模式

（3）安全可保障：7×24 小時(shí)監(jiān)控，確保安全、可靠、高質(zhì)量運(yùn)營(yíng)，運(yùn)維保障人員無(wú)感存在。

（4）管理全可視：實(shí)時(shí)洞察與感知資源全貌，可像查詢(xún)圖書(shū)一般方便快捷一覽平臺(tái)能力、資源。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了解決國(guó)家重大需求、突破核心關(guān)鍵技術(shù)、引領(lǐng)行業(yè)產(chǎn)業(yè)變革，需要大力發(fā)展具備大規(guī)模、端到端、開(kāi)放包容、安全可靠的綜合試驗(yàn)平臺(tái)，為構(gòu)建我國(guó)自主安全可控網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供支撐，服務(wù)信息領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的驗(yàn)證以及促進(jìn)創(chuàng)新資源共享，開(kāi)展核心技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、軍民融合等場(chǎng)景的系列示范應(yīng)用，加快行業(yè)企業(yè)整體的數(shù)字轉(zhuǎn)型步伐。紫金山實(shí)驗(yàn)室綜合試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、演進(jìn)目標(biāo)具有一定的代表性和借鑒價(jià)值。