華為董事、戰(zhàn)略研究院院長徐文偉發(fā)表主題演講
以下為演講全文
01從世界構(gòu)成的三要素理解未來的挑戰(zhàn)與方向
物質(zhì)、能量、信息是世界構(gòu)成的三要素，這也是我們把握未來挑戰(zhàn)和方向的出發(fā)點(diǎn)。下一個(gè)十年，聯(lián)接數(shù)量將達(dá)到千億級，寬帶速度每人將達(dá)到10Gbps，算力實(shí)現(xiàn)100倍提升、存儲能力實(shí)現(xiàn)100倍提升，可再生能源的使用將超過50%。圍繞信息和能量的產(chǎn)生、傳送、處理和使用，技術(shù)需要不斷演進(jìn)。
02產(chǎn)業(yè)互聯(lián)中的智能機(jī)器聯(lián)接：千億節(jié)點(diǎn)，萬億市場
近十幾年以來，消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，極大地豐富了人們的溝通和生活，當(dāng)前按照人口計(jì)算的互聯(lián)網(wǎng)普及率已經(jīng)達(dá)到70%。展望未來，隨著5G2B能力的提升、IPv6協(xié)議的規(guī)模部署，智能機(jī)器的聯(lián)接數(shù)量將迎來爆炸式的增長。根據(jù)ARM的預(yù)測報(bào)告，預(yù)計(jì)2035年全球機(jī)器聯(lián)接累計(jì)數(shù)量達(dá)到10000億。
消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)主要面向人提供聯(lián)接，而人的感官反應(yīng)速度是有限的，對于網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量波動帶來的體驗(yàn)波動，人的容忍度較高。比如，消費(fèi)者可以接受200ms以內(nèi)的電視頻道切換速度，不容易覺察200ms以內(nèi)的話音通信中斷。以機(jī)器為主的產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，要求低時(shí)延、低抖動的確定性承載。AGV自動導(dǎo)向車要求工業(yè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延小于50ms，抖動小于10ms，鋼鐵行業(yè)某些工業(yè)控制場景要求工業(yè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延小于4ms，抖動小于50us。
03現(xiàn)場少人化、無人化是趨勢，遠(yuǎn)程集中控制的生產(chǎn)模式需要確定性廣域網(wǎng)
我們看到，企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)正在走向現(xiàn)場少人化、無人化，實(shí)現(xiàn)降本增效、安全生產(chǎn)，這是必然的趨勢。工業(yè)控制系統(tǒng)加速走向遠(yuǎn)程集中控制模式，讓操作人員可以在更安全、更舒適的集中控制室完成生產(chǎn)任務(wù)，也讓大型企業(yè)得以在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)總部、多基地之間的生產(chǎn)要素調(diào)度和優(yōu)化。
為此，工業(yè)控制系統(tǒng)需要走向廣域化，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需要同時(shí)保證確定性和大網(wǎng)可擴(kuò)展性。其中的核心技術(shù)挑戰(zhàn)就是，降低確定性網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法的存儲和計(jì)算復(fù)雜度，使之在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中可以部署。
04面向產(chǎn)業(yè)互聯(lián)，提升IP網(wǎng)絡(luò)的確定性、安全性、靈活性
今天，網(wǎng)絡(luò)支撐的主體是百億級的消費(fèi)互聯(lián)，2030年，網(wǎng)絡(luò)支撐的主體是萬億級的產(chǎn)業(yè)互聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議面臨三個(gè)考驗(yàn)。
第一是確定性。需要確定性時(shí)延保障能力，通過“網(wǎng)絡(luò)演算新理論和協(xié)議”，將當(dāng)前盡力而為的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，變?yōu)榭商崆坝?jì)算的確定時(shí)延。
第二是安全性。萬物互聯(lián)的場景下，安全防御體系提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。無人機(jī)、攝像機(jī)、邊緣計(jì)算、傳感器等大量外掛設(shè)備，引入了新的不安全因素，必須構(gòu)建端到端的內(nèi)生安全框架和協(xié)議。
第三是靈活性。千行百業(yè)的需求是多樣的，有的需要IP地址長一點(diǎn)，有的需要短一點(diǎn)，必須將固定長度的IP地址，擴(kuò)展為可靈活定義語義、語法的新IP協(xié)議。
而確定性廣域網(wǎng)的建模、優(yōu)化，涉及網(wǎng)絡(luò)級的排隊(duì)論，較為復(fù)雜，我們希望借助數(shù)學(xué)工具和系統(tǒng)工程方法，來提供一些幫助。
05用網(wǎng)絡(luò)演算理論，為網(wǎng)絡(luò)確定性進(jìn)行建模和定量分析
網(wǎng)絡(luò)演算理論是網(wǎng)絡(luò)建模和時(shí)延分析的重要數(shù)學(xué)工具，它通過描述流量到達(dá)和節(jié)點(diǎn)服務(wù)的包絡(luò)曲線，基于最小加代數(shù)，計(jì)算端到端的確定性時(shí)延上限。UCLA大學(xué)Cruz教授在1991年的論文中發(fā)明了網(wǎng)絡(luò)演算，后由瑞士科學(xué)家Boudec進(jìn)一步整理、完善。
最小加代數(shù)（Min-Plus Algebra）是用于數(shù)字電路、通信網(wǎng)絡(luò)以及制造工業(yè)等離散事件系統(tǒng)（ Discrete Event Systems）建模的一種數(shù)學(xué)工具。
基于網(wǎng)絡(luò)演算理論，由于IP網(wǎng)絡(luò)存在復(fù)用，流間會相互碰撞。所以一個(gè)流經(jīng)過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)后，突發(fā)度會增長，時(shí)延和抖動都會增長。而傳統(tǒng)IP的聚合調(diào)度，流間穿插碰撞、甚至循環(huán)阻塞，導(dǎo)致突發(fā)度和時(shí)延上限，隨著跳數(shù)滾雪球式開放增長，即便網(wǎng)絡(luò)輕載時(shí)也會出現(xiàn)時(shí)延很大的情況。
06通過系統(tǒng)工程方法進(jìn)一步優(yōu)化，解決大規(guī)模廣域網(wǎng)的確定性
為了解決IP網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延不確定問題，幾十年了業(yè)界做了大量研究，也提出了很多具有確定性保障的技術(shù)。但這些技術(shù)基本都依賴于在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中維護(hù)流狀態(tài)、或者調(diào)度復(fù)雜度很高，所以擴(kuò)展性不好，沒有辦法應(yīng)用在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中。
為了同時(shí)解決確定性與可擴(kuò)展性，我們采用系統(tǒng)工程的方法，采用周期聚合調(diào)度，將狀態(tài)維護(hù)在邊緣節(jié)點(diǎn)、并攜帶在報(bào)文中，避免核心節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)爆炸。核心節(jié)點(diǎn)僅需維護(hù)4個(gè)聚合周期隊(duì)列、調(diào)度復(fù)雜度為O（1），同時(shí)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算和存儲的可擴(kuò)展性。
07優(yōu)化效果：E2E時(shí)延與跳數(shù)的線性關(guān)系，時(shí)延抖動與跳數(shù)無關(guān)
從理論分析來看，相比于傳統(tǒng)IP的時(shí)延隨跳數(shù)超線性增長，我們的確定性廣域網(wǎng)技術(shù)（DIP），其端到端時(shí)延上限與跳數(shù)呈線性關(guān)系，并且端到端抖動是常數(shù)，與跳數(shù)無關(guān)。工程上，我們已經(jīng)具備能力，達(dá)到單跳十微秒級的時(shí)延上限，端到端±10us的抖動上限。
08基于CENI試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，完成了確定性廣域網(wǎng)技術(shù)試驗(yàn)
基于網(wǎng)絡(luò)演算理論，業(yè)界在確定性廣域網(wǎng)技術(shù)取得了一定的突破。
2020年6月，華為與紫金山實(shí)驗(yàn)室等合作，在CENI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了確定性廣域網(wǎng)技術(shù)試驗(yàn)，跨3000公里、13跳設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)中，把時(shí)延抖動控制在100μs以內(nèi)。而未啟用確定性廣域網(wǎng)技術(shù)的傳統(tǒng)IP流量，時(shí)延抖動達(dá)到了2.8ms。需要注意的是，是時(shí)延抖動控制在100μs以內(nèi)。而時(shí)延與距離相關(guān)，無法縮小。
背景干擾流持續(xù)增加時(shí)，確定性廣域網(wǎng)時(shí)延抖動保持恒定，而傳統(tǒng)IP流量的時(shí)延抖動隨背景流增加而增長。
09基于確定性廣域網(wǎng)技術(shù)，完成全球首個(gè)廣域云化PLC場景化技術(shù)試驗(yàn)
在過去的一年，我們進(jìn)一步開展了產(chǎn)學(xué)研用合作創(chuàng)新，將確定性廣域網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)場景中，聯(lián)合紫金山實(shí)驗(yàn)室、上海交大、寶信軟件開展了廣域云化PLC合作，完成了全球首個(gè)廣域云化PLC場景化技術(shù)試驗(yàn)。
試驗(yàn)中，云化PLC部署在上海，采用IP協(xié)議、經(jīng)CENI的確定性廣域網(wǎng)聯(lián)接、在600公里之外控制部署在南京的執(zhí)行端，在重度背景流量沖擊下，廣域云化PLC系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行。試驗(yàn)中，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延小于4ms，時(shí)延抖動小于20us。
值得一提的是，這次試驗(yàn)采用了鯤鵬CPU、歐拉操作系統(tǒng)、以及上海交大提供的基于IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)的PLC集成開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境，基于通用計(jì)算和標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議，構(gòu)筑了工控邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了全棧國產(chǎn)化系統(tǒng)的雛形。我相信，在向下一代工控架構(gòu)升級的過程中，國內(nèi)高校、研究機(jī)構(gòu)還將發(fā)揮更大的作用，徹底解決工控系統(tǒng)七國八制的問題。
10確定性廣域網(wǎng)在有限域豐富了IP技術(shù)能力集，加速工業(yè)網(wǎng)絡(luò)IP化
確定性廣域網(wǎng)是有限域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)演算和系統(tǒng)工程優(yōu)化的成果，面向特定的工業(yè)場景，豐富了IP技術(shù)能力集，使之可以服務(wù)更多的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)場景。確定性廣域網(wǎng)等新的技術(shù)能力，和IPv6、5G2B等相結(jié)合，將加速工業(yè)網(wǎng)絡(luò)IP化，進(jìn)一步擴(kuò)大消費(fèi)+產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)范圍。我們可以參考5G的做法，面向不同的場景，提供eMBB、uRLLC等不同的能力集合。
消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)和產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求不盡相同，我們也可以不斷地豐富IP技術(shù)能力集，使消費(fèi)+產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基于通用能力集實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，同時(shí)在有限域內(nèi)基于增強(qiáng)能力集來服務(wù)更多的場景，不斷擴(kuò)大互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)范圍。
11探索端到端系統(tǒng)的確定性：從確定性的網(wǎng)絡(luò)到確定性的系統(tǒng)
在確定性廣域網(wǎng)的研究基礎(chǔ)之上，現(xiàn)在，我們也在探索完整的端到端確定性系統(tǒng)。比如，確定性的5G空口、確定性的WiFi、確定性且極致低時(shí)延的工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)、以及確定性的主機(jī)協(xié)議棧等技術(shù)，這些研究中需要應(yīng)用到隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算、鞅論等數(shù)學(xué)理論，也要用到系統(tǒng)工程優(yōu)化的方法，利用最少的網(wǎng)絡(luò)資源，確定性或概率性的滿足業(yè)務(wù)的時(shí)延。又如，面向關(guān)鍵應(yīng)用類場景，探索E2E的確定性系統(tǒng)，不只是確定性網(wǎng)絡(luò)，也包括確定性的計(jì)算、操作系統(tǒng)、芯片、云服務(wù)。
12數(shù)學(xué)與系統(tǒng)工程方法，還可以發(fā)揮更多作用
數(shù)學(xué)工具和系統(tǒng)工程方法，在未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中還可以發(fā)揮更多的作用。
如網(wǎng)絡(luò)級的MBB體驗(yàn)優(yōu)化，可以借助“網(wǎng)絡(luò)級香農(nóng)容量模型”，來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能效最優(yōu)、用戶體驗(yàn)最優(yōu)。用這個(gè)方法，華為協(xié)助瑞士Sunrise，在頻譜、站點(diǎn)數(shù)劣勢的情況下，5G網(wǎng)絡(luò)排名第一，體驗(yàn)是第二名的1.5倍以上。
又比如，在基站的散熱系統(tǒng)能耗優(yōu)化中，通過系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化，理論分析預(yù)計(jì)，可以降低空調(diào)能耗30%，降低站點(diǎn)運(yùn)行成本10%。下一步，我們還要在實(shí)際環(huán)境中，驗(yàn)證實(shí)際的效果。
還有，在數(shù)據(jù)中心的算效比優(yōu)化方面，通過優(yōu)化數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，針對特定的計(jì)算場景，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)零丟包，減少數(shù)據(jù)重傳帶來的CPU空耗，可以顯著優(yōu)化算效比。這里面也會涉及到圖論等數(shù)學(xué)方法，以及系統(tǒng)工程優(yōu)化方法。
13面向未來開展前瞻性合作，加速產(chǎn)學(xué)研用的進(jìn)程
人類發(fā)展的需求以及解決所面臨的問題，需要匯集全人類的智慧和創(chuàng)新能力，必須以開放包容、協(xié)同創(chuàng)新的機(jī)制，跨越挑戰(zhàn)。工業(yè)界必須與高校和科研機(jī)構(gòu)緊密合作，用工業(yè)界的挑戰(zhàn)和世界級難題牽引科學(xué)研究方向。
面向未來不確定性的創(chuàng)新，我們從三個(gè)層面來開展前瞻性合作，加速產(chǎn)學(xué)研用的進(jìn)程。
第一個(gè)層面，面向基礎(chǔ)科學(xué)研究的合作，通過人才Funding戰(zhàn)略合作、Gift Funding等舉措，支持全球優(yōu)秀人才，聚焦ICT基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域研究方向，推動基礎(chǔ)理論突破。
第二個(gè)層面，是面向基礎(chǔ)技術(shù)研究的合作，通過聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、校級框架協(xié)議等舉措，以5到10年為周期，以每年百萬美元的規(guī)模為基線，聯(lián)合世界級研究人才，構(gòu)建世界頂級先進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，開展ICT領(lǐng)域前沿研究，創(chuàng)造與發(fā)明重大新技術(shù)。
第三個(gè)層面，是面向項(xiàng)目技術(shù)創(chuàng)新的合作，我們發(fā)起了HIRP OPEN、Fellow試錯、顧問委員會等項(xiàng)目，把高校科研優(yōu)勢與企業(yè)問題場景結(jié)合起來，多路徑探索，深度合作突破關(guān)鍵技術(shù)。
我們希望，基于學(xué)術(shù)界的理論研究突破，開展技術(shù)的研究創(chuàng)新，打造出更加滿足用戶需求的產(chǎn)品和方案；而用戶不斷發(fā)展的需求和未來場景，也會促進(jìn)我們更加關(guān)注理論突破，合作研究開發(fā)新的產(chǎn)品，從而形成產(chǎn)學(xué)研用的良好循環(huán)，推動產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展，促進(jìn)社會進(jìn)步，真正實(shí)現(xiàn)我們的愿景，把數(shù)字世界帶入每個(gè)人、每個(gè)家庭、每個(gè)組織，構(gòu)建萬物互聯(lián)的世界。
