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從世界構成的三要素理解未來的挑戰(zhàn)與方向
物質、能量、信息是世界構成的三要素，這也是我們把握未來挑戰(zhàn)和方向的出發(fā)點。下一個十年，聯(lián)接數(shù)量將達到千億級，寬帶速度每人將達到10Gbps，算力實現(xiàn)100倍提升、存儲能力實現(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生、傳送、處理和使用，技術需要不斷演進。
02產業(yè)互聯(lián)中的智能機器聯(lián)接：千億節(jié)點，萬億市場
近十幾年以來，消費互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，極大地豐富了人們的溝通和生活，當前按照人口計算的互聯(lián)網(wǎng)普及率已經(jīng)達到70%。展望未來，隨著5G2B能力的提升、IPv6協(xié)議的規(guī)模部署，智能機器的聯(lián)接數(shù)量將迎來爆炸式的增長。根據(jù)ARM的預測報告，預計2035年全球機器聯(lián)接累計數(shù)量達到10000億。
消費互聯(lián)網(wǎng)主要面向人提供聯(lián)接，而人的感官反應速度是有限的，對于網(wǎng)絡質量波動帶來的體驗波動，人的容忍度較高。比如，消費者可以接受200ms以內的電視頻道切換速度，不容易覺察200ms以內的話音通信中斷。以機器為主的產業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，要求低時延、低抖動的確定性承載。AGV自動導向車要求工業(yè)網(wǎng)絡時延小于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)絡時延小于4ms，抖動小于50us。
03現(xiàn)場少人化、無人化是趨勢，遠程集中控制的生產模式需要確定性廣域網(wǎng)
我們看到，企業(yè)生產系統(tǒng)正在走向現(xiàn)場少人化、無人化，實現(xiàn)降本增效、安全生產，這是必然的趨勢。工業(yè)控制系統(tǒng)加速走向遠程集中控制模式，讓操作人員可以在更安全、更舒適的集中控制室完成生產任務，也讓大型企業(yè)得以在更大范圍內實現(xiàn)總部、多基地之間的生產要素調度和優(yōu)化。
為此，工業(yè)控制系統(tǒng)需要走向廣域化，工業(yè)網(wǎng)絡需要同時保證確定性和大網(wǎng)可擴展性。其中的核心技術挑戰(zhàn)就是，降低確定性網(wǎng)絡調度算法的存儲和計算復雜度，使之在大規(guī)模網(wǎng)絡中可以部署。
04面向產業(yè)互聯(lián)，提升IP網(wǎng)絡的確定性、安全性、靈活性
今天，網(wǎng)絡支撐的主體是百億級的消費互聯(lián)，2030年，網(wǎng)絡支撐的主體是萬億級的產業(yè)互聯(lián)，網(wǎng)絡協(xié)議面臨三個考驗。
第一是確定性。需要確定性時延保障能力，通過“網(wǎng)絡演算新理論和協(xié)議”，將當前盡力而為的網(wǎng)絡時延，變?yōu)榭商崆坝嬎愕拇_定時延。
第二是安全性。萬物互聯(lián)的場景下，安全防御體系提出嚴峻挑戰(zhàn)。無人機、攝像機、邊緣計算、傳感器等大量外掛設備，引入了新的不安全因素，必須構建端到端的內生安全框架和協(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，有的需要短一點，必須將固定長度的IP地址，擴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)絡級的排隊論，較為復雜，我們希望借助數(shù)學工具和系統(tǒng)工程方法，來提供一些幫助。
05用網(wǎng)絡演算理論，為網(wǎng)絡確定性進行建模和定量分析
網(wǎng)絡演算理論是網(wǎng)絡建模和時延分析的重要數(shù)學工具，它通過描述流量到達和節(jié)點服務的包絡曲線，基于最小加代數(shù)，計算端到端的確定性時延上限。UCLA大學Cruz教授在1991年的論文中發(fā)明了網(wǎng)絡演算，后由瑞士科學家Boudec進一步整理、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)學工具。
基于網(wǎng)絡演算理論，由于IP網(wǎng)絡存在復用，流間會相互碰撞。所以一個流經(jīng)過一個網(wǎng)絡節(jié)點后，突發(fā)度會增長，時延和抖動都會增長。而傳統(tǒng)IP的聚合調度，流間穿插碰撞、甚至循環(huán)阻塞，導致突發(fā)度和時延上限，隨著跳數(shù)滾雪球式開放增長，即便網(wǎng)絡輕載時也會出現(xiàn)時延很大的情況。
06通過系統(tǒng)工程方法進一步優(yōu)化，解決大規(guī)模廣域網(wǎng)的確定性
為了解決IP網(wǎng)絡的時延不確定問題，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。但這些技術基本都依賴于在網(wǎng)絡節(jié)點中維護流狀態(tài)、或者調度復雜度很高，所以擴展性不好，沒有辦法應用在大規(guī)模網(wǎng)絡中。
為了同時解決確定性與可擴展性，我們采用系統(tǒng)工程的方法，采用周期聚合調度，將狀態(tài)維護在邊緣節(jié)點、并攜帶在報文中，避免核心節(jié)點的狀態(tài)爆炸。核心節(jié)點僅需維護4個聚合周期隊列、調度復雜度為O（1），同時實現(xiàn)了計算和存儲的可擴展性。
07優(yōu)化效果：E2E時延與跳數(shù)的線性關系，時延抖動與跳數(shù)無關
從理論分析來看，相比于傳統(tǒng)IP的時延隨跳數(shù)超線性增長，我們的確定性廣域網(wǎng)技術（DIP），其端到端時延上限與跳數(shù)呈線性關系，并且端到端抖動是常數(shù)，與跳數(shù)無關。工程上，我們已經(jīng)具備能力，達到單跳十微秒級的時延上限，端到端±10us的抖動上限。
08基于CENI試驗網(wǎng)絡環(huán)境，完成了確定性廣域網(wǎng)技術試驗
基于網(wǎng)絡演算理論，業(yè)界在確定性廣域網(wǎng)技術取得了一定的突破。
2020年6月，華為與紫金山實驗室等合作，在CENI網(wǎng)絡進行了確定性廣域網(wǎng)技術試驗，跨3000公里、13跳設備的網(wǎng)絡中，把時延抖動控制在100μs以內。而未啟用確定性廣域網(wǎng)技術的傳統(tǒng)IP流量，時延抖動達到了2.8ms。需要注意的是，是時延抖動控制在100μs以內。而時延與距離相關，無法縮小。
背景干擾流持續(xù)增加時，確定性廣域網(wǎng)時延抖動保持恒定，而傳統(tǒng)IP流量的時延抖動隨背景流增加而增長。
09基于確定性廣域網(wǎng)技術，完成全球首個廣域云化PLC場景化技術試驗
在過去的一年，我們進一步開展了產學研用合作創(chuàng)新，將確定性廣域網(wǎng)技術運用到工業(yè)網(wǎng)絡場景中，聯(lián)合紫金山實驗室、上海交大、寶信軟件開展了廣域云化PLC合作，完成了全球首個廣域云化PLC場景化技術試驗。
試驗中，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)定運行。試驗中，網(wǎng)絡時延小于4ms，時延抖動小于20us。
值得一提的是，這次試驗采用了鯤鵬CPU、歐拉操作系統(tǒng)、以及上海交大提供的基于IEC 61499標準的PLC集成開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境，基于通用計算和標準IP協(xié)議，構筑了工控邊緣計算節(jié)點，實現(xiàn)了全棧國產化系統(tǒng)的雛形。我相信，在向下一代工控架構升級的過程中，國內高校、研究機構還將發(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技術能力集，加速工業(yè)網(wǎng)絡IP化
確定性廣域網(wǎng)是有限域內網(wǎng)絡演算和系統(tǒng)工程優(yōu)化的成果，面向特定的工業(yè)場景，豐富了IP技術能力集，使之可以服務更多的工業(yè)網(wǎng)絡場景。確定性廣域網(wǎng)等新的技術能力，和IPv6、5G2B等相結合，將加速工業(yè)網(wǎng)絡IP化，進一步擴大消費+產業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的服務范圍。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。
消費互聯(lián)網(wǎng)和產業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求不盡相同，我們也可以不斷地豐富IP技術能力集，使消費+產業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基于通用能力集實現(xiàn)互聯(lián)互通，同時在有限域內基于增強能力集來服務更多的場景，不斷擴大互聯(lián)網(wǎng)的服務范圍。
11探索端到端系統(tǒng)的確定性：從確定性的網(wǎng)絡到確定性的系統(tǒng)
在確定性廣域網(wǎng)的研究基礎之上，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、確定性且極致低時延的工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡、以及確定性的主機協(xié)議棧等技術，這些研究中需要應用到隨機網(wǎng)絡演算、鞅論等數(shù)學理論，也要用到系統(tǒng)工程優(yōu)化的方法，利用最少的網(wǎng)絡資源，確定性或概率性的滿足業(yè)務的時延。又如，面向關鍵應用類場景，探索E2E的確定性系統(tǒng)，不只是確定性網(wǎng)絡，也包括確定性的計算、操作系統(tǒng)、芯片、云服務。
12數(shù)學與系統(tǒng)工程方法，還可以發(fā)揮更多作用
數(shù)學工具和系統(tǒng)工程方法，在未來網(wǎng)絡的發(fā)展中還可以發(fā)揮更多的作用。
如網(wǎng)絡級的MBB體驗優(yōu)化，可以借助“網(wǎng)絡級香農容量模型”，來實現(xiàn)網(wǎng)絡能效最優(yōu)、用戶體驗最優(yōu)。用這個方法，華為協(xié)助瑞士Sunrise，在頻譜、站點數(shù)劣勢的情況下，5G網(wǎng)絡排名第一，體驗是第二名的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)調度優(yōu)化，理論分析預計，可以降低空調能耗30%，降低站點運行成本10%。下一步，我們還要在實際環(huán)境中，驗證實際的效果。
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，針對特定的計算場景，實現(xiàn)網(wǎng)絡零丟包，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，加速產學研用的進程
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)新的機制，跨越挑戰(zhàn)。工業(yè)界必須與高校和科研機構緊密合作，用工業(yè)界的挑戰(zhàn)和世界級難題牽引科學研究方向。
面向未來不確定性的創(chuàng)新，我們從三個層面來開展前瞻性合作，加速產學研用的進程。
第一個層面，面向基礎科學研究的合作，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基礎技術領域研究方向，推動基礎理論突破。
第二個層面，是面向基礎技術研究的合作，通過聯(lián)合實驗室、創(chuàng)新實驗室、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，構建世界頂級先進技術實驗室，開展ICT領域前沿研究，創(chuàng)造與發(fā)明重大新技術。
第三個層面，是面向項目技術創(chuàng)新的合作，我們發(fā)起了HIRP OPEN、Fellow試錯、顧問委員會等項目，把高�？蒲袃�(yōu)勢與企業(yè)問題場景結合起來，多路徑探索，深度合作突破關鍵技術。
我們希望，基于學術界的理論研究突破，開展技術的研究創(chuàng)新，打造出更加滿足用戶需求的產品和方案；而用戶不斷發(fā)展的需求和未來場景，也會促進我們更加關注理論突破，合作研究開發(fā)新的產品，從而形成產學研用的良好循環(huán)，推動產業(yè)向前發(fā)展，促進社會進步，真正實現(xiàn)我們的愿景，把數(shù)字世界帶入每個人、每個家庭、每個組織，構建萬物互聯(lián)的世界。
