國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)分布指導(dǎo)理論研究

陳劍 馬晨迪 謝家貴 李炳奇 李志平

(中國(guó)信息通信研究院工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)研究所，北京 100191)

0 引言

為貫徹習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于“深入實(shí)施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略重要講話精神”和中央關(guān)于推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)加快發(fā)展的戰(zhàn)略決策，2020年12月22日，工業(yè)和信息化部發(fā)布《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2021—2023年)》[1]，在“標(biāo)識(shí)解析增強(qiáng)行動(dòng)”部分中指出，要“提升國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)服務(wù)能力”。隨著我國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)解析體系逐步建設(shè)完善，由于國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)在整個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)解析體系中占據(jù)舉足輕重的地位，國(guó)家頂級(jí)節(jié)的建設(shè)越發(fā)重要。國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)不僅能面向全國(guó)提供頂級(jí)標(biāo)識(shí)解析服務(wù)、標(biāo)識(shí)備案、標(biāo)識(shí)認(rèn)證等管理能力，還可以在國(guó)際根節(jié)點(diǎn)與二級(jí)節(jié)點(diǎn)、遞歸節(jié)點(diǎn)之間承上啟下，實(shí)現(xiàn)連通。

目前，我國(guó)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的部署規(guī)劃尚未有一套標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的理論指導(dǎo)。除了初期規(guī)劃的5個(gè)部署位置外，針對(duì)后續(xù)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的建設(shè)規(guī)劃，我國(guó)尚未提出一套理論性指導(dǎo)建議。

1 國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前分布狀況

標(biāo)識(shí)解析國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)內(nèi)部最頂級(jí)的標(biāo)識(shí)解析服務(wù)節(jié)點(diǎn)，對(duì)外提供我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頂級(jí)標(biāo)識(shí)的注冊(cè)和解析，以及備案、監(jiān)測(cè)、認(rèn)證、應(yīng)急等管理支撐能力。國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)既要與各種標(biāo)識(shí)體系的國(guó)際根節(jié)點(diǎn)保持連通，又要連通國(guó)內(nèi)的各種二級(jí)標(biāo)識(shí)解析服務(wù)節(jié)點(diǎn)。目前，我國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)共開(kāi)設(shè)了5個(gè)，分別位于北京、廣州、重慶、上海、武漢(見(jiàn)表1)。我國(guó)前期建設(shè)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)應(yīng)遵循的基本原則如下。

(1)覆蓋全國(guó)絕大部分地區(qū)：東部(上海)、西部(重慶)、南部(廣州)、北部(北京)、中部(武漢)。

(2)覆蓋全國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)帶：京津冀經(jīng)濟(jì)圈、珠江三角洲經(jīng)濟(jì)帶、長(zhǎng)江三角洲經(jīng)濟(jì)帶，以及國(guó)家中部及西部開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略。

2 國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)部署指導(dǎo)原則

國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)主要是為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系提供頂層解析服務(wù)，將實(shí)體經(jīng)濟(jì)與數(shù)字經(jīng)濟(jì)相融合，促進(jìn)我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。此外，國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)部署在我國(guó)完全自主可控，可根據(jù)實(shí)際情況和需求進(jìn)行調(diào)整，且其建設(shè)內(nèi)容相對(duì)統(tǒng)一集中。我國(guó)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)建設(shè)的兩個(gè)基本原則是：國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)建設(shè)向工業(yè)發(fā)達(dá)且業(yè)務(wù)需求多的省市傾斜；國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)建設(shè)向網(wǎng)絡(luò)保障能力強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)單位傾斜。

表1 國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)部署情況(截至2021年1月)

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模(來(lái)源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院分析報(bào)告[2])

2.1 我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體發(fā)展水平與趨勢(shì)

我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模和增長(zhǎng)趨勢(shì)[2]如圖1所示，其中市場(chǎng)規(guī)模每年按13%以上的比率增長(zhǎng)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模的增長(zhǎng)必然增加對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析系統(tǒng)的需求，同時(shí)隨著越來(lái)越多的工業(yè)企業(yè)加入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)體系，國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)、二級(jí)節(jié)點(diǎn)中的注冊(cè)量、解析量必然增長(zhǎng)。截至2020年7月，我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析注冊(cè)量已突破44億，其中頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的日解析量已超過(guò)180萬(wàn)。預(yù)計(jì)未來(lái)5～10年我國(guó)頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的解析量還將大幅增長(zhǎng)。因此，可以考慮通過(guò)新增或擴(kuò)容部署國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)，使其數(shù)量從5個(gè)增加到7個(gè)，以滿足未來(lái)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的解析業(yè)務(wù)需求。

2.2 國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)分布需求

國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的部署建設(shè)需要將對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求量作為首要考量指標(biāo)。國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)最終是為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)體系服務(wù)的，而各省、直轄市的工業(yè)發(fā)展程度、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)量各不相同。目前，我國(guó)按照工業(yè)省份TOP10排名，依次為：廣東、江蘇、山東、浙江、福建、河南、四川、河北、安徽、湖北；按照工業(yè)城市TOP10排名，依次為：上海、北京、廣州、深圳、蘇州、天津、重慶、杭州、青島、無(wú)錫[3]。

2.3 國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)資源分布

如圖2所示，國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)直接為二級(jí)及其他企業(yè)節(jié)點(diǎn)提供頂層的解析服務(wù)。目前我國(guó)二級(jí)節(jié)點(diǎn)70多個(gè)，企業(yè)節(jié)點(diǎn)6000多個(gè)，標(biāo)識(shí)注冊(cè)量超過(guò)70億[4]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[4]，我國(guó)大部分二級(jí)節(jié)點(diǎn)和企業(yè)節(jié)點(diǎn)還是以工業(yè)發(fā)展指數(shù)較高的省市為主要部署地，二級(jí)節(jié)點(diǎn)和企業(yè)節(jié)點(diǎn)保持高速增長(zhǎng)，相對(duì)現(xiàn)有5個(gè)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)，后續(xù)頂級(jí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量將被下一級(jí)業(yè)務(wù)推動(dòng)擴(kuò)張。

圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系架構(gòu)

2.4 國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)保障能力

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的很多相關(guān)業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延的要求非常高，因此工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)體系必須建立在優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)之上，所部署地域的信息網(wǎng)絡(luò)部署能力、綜合網(wǎng)絡(luò)傳輸性能是重要的考察指標(biāo)。由于網(wǎng)絡(luò)傳輸主要由運(yùn)營(yíng)商承建，因此需要對(duì)各省三大運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)能力進(jìn)行評(píng)估，保障國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)與下級(jí)節(jié)點(diǎn)的通信穩(wěn)定性和低時(shí)延響應(yīng)性。

2.5 國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)互通能力

國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)不單作為國(guó)家或地區(qū)內(nèi)部最頂級(jí)的標(biāo)識(shí)解析服務(wù)節(jié)點(diǎn)，面向全國(guó)范圍提供頂級(jí)標(biāo)識(shí)編碼注冊(cè)和標(biāo)識(shí)解析服務(wù)，還可以作為一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)，完成與各種標(biāo)識(shí)體系的國(guó)際根節(jié)點(diǎn)互聯(lián)互通的功能。

3 國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)分布理論研究

3.1 國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)服務(wù)需求能力指標(biāo)選取

如圖2所示，國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)對(duì)接二級(jí)節(jié)點(diǎn)和遞歸解析節(jié)點(diǎn)，并為下級(jí)節(jié)點(diǎn)提供標(biāo)識(shí)解析和遞歸解析服務(wù)。根據(jù)需求服務(wù)內(nèi)容和運(yùn)行屬性，體現(xiàn)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)存在六大要素：各省二級(jí)節(jié)點(diǎn)對(duì)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)量(a1)、各省二級(jí)節(jié)點(diǎn)對(duì)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的解析量(a2)、各省二級(jí)節(jié)點(diǎn)對(duì)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的解析效率(a3)、各省遞歸節(jié)點(diǎn)對(duì)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)量(a4)、各省遞歸節(jié)點(diǎn)對(duì)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的解析量(a5)、各省遞歸節(jié)點(diǎn)對(duì)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的解析效率(a6)。具體指標(biāo)參數(shù)說(shuō)明如表2所示。

將各項(xiàng)指標(biāo)歸一化后，根據(jù)其所占比重，得到各省的服務(wù)需求能力(A)為：

(1)

(2)

(3)

表2 服務(wù)需求程度模型說(shuō)明

3.2 國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)部署能力指標(biāo)選取

國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的建設(shè)依賴網(wǎng)絡(luò)通信能力，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商是國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)建設(shè)的最主要機(jī)構(gòu)，良好的網(wǎng)絡(luò)安全保障能力有助于國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。所以，國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)在各省的建設(shè)應(yīng)綜合考慮該省的綜合網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。根據(jù)《2019中國(guó)網(wǎng)絡(luò)狀況白皮書(shū)(精簡(jiǎn)版)》[5]中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到我國(guó)31個(gè)省三大運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)，將其歸一化后，可作為基礎(chǔ)電信企業(yè)各省網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)值。我國(guó)擁有重要基礎(chǔ)設(shè)施的省往往擁有較多的鏈路出省方向數(shù)量、較好的帶寬利用率、較好的安全保障和運(yùn)維能力、較好的資金保障能力。所以，要提高國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的部署能力，要考慮如表3所示三大因素：各省綜合網(wǎng)絡(luò)傳輸性能(b1)、各省信息網(wǎng)絡(luò)部署建設(shè)能力(b2)、各省信息對(duì)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的安全保障能力(b3)。在將各項(xiàng)指標(biāo)歸一化后，根據(jù)其所占比重，得到各省的部署建設(shè)能力(B)為：

(4)

(5)

(6)

3.3 國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)均衡因子指標(biāo)

國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)最終服務(wù)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，每個(gè)省的工業(yè)水平也間接反映了該省對(duì)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)解析的需求。工業(yè)水平高的省未來(lái)對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析的需求比較高，權(quán)重也較高，未來(lái)部署國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的需求也較高。因此，可將指標(biāo)因素設(shè)置為C，權(quán)重因子設(shè)置為k3。

3.4 國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)部署理論指導(dǎo)

由于模型建立涉及的數(shù)據(jù)指標(biāo)多、數(shù)據(jù)量大，而且需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，因此模型建立既要合理又不應(yīng)過(guò)于復(fù)雜。結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，可采用歸一化計(jì)算和動(dòng)態(tài)加權(quán)的方法對(duì)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)增加部署方案進(jìn)行建模。

結(jié)合國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)服務(wù)需求程度(A)、部署建設(shè)能力(B)和均衡因子指(C)三方面數(shù)據(jù)的10個(gè)指標(biāo)，可以綜合計(jì)算得到各省在國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)部署方面的綜合評(píng)分(R)，其計(jì)算公式如下：

R=(k1×A+k2×B)×C×k3

(7)

其中，k1、k2、k3各權(quán)重因子最終取值根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整后得到。

4 國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)部署風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避建議

4.1 節(jié)點(diǎn)分布的均衡性風(fēng)險(xiǎn)建議

目前，我國(guó)第一批國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的建設(shè)是按照東(上海)、南(廣州)、西(重慶)、北(北京)、中(武漢)的方案來(lái)進(jìn)行。但是，根據(jù)業(yè)務(wù)需求、二級(jí)或企業(yè)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)能力等分析指標(biāo)預(yù)測(cè)，未來(lái)我國(guó)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的部署規(guī)劃大概率偏向東南部而弱化西北部，這與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展初衷相悖。因此，我國(guó)需要全國(guó)一盤棋考慮，帶動(dòng)發(fā)展滯后地區(qū)，提升國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)對(duì)這類地域的服務(wù)能力，故在未來(lái)規(guī)劃中需要考慮在西北部地區(qū)建設(shè)一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

4.2 業(yè)務(wù)流量的影響性風(fēng)險(xiǎn)建議

過(guò)去工業(yè)網(wǎng)絡(luò)流量是封閉式的，在5G和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸成熟的大環(huán)境下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，工業(yè)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，整個(gè)工業(yè)流量的增長(zhǎng)速度和整體規(guī)模是無(wú)法線性預(yù)估的。因此，我國(guó)需要對(duì)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，不斷評(píng)估現(xiàn)有體系架構(gòu)對(duì)業(yè)務(wù)流量的承載能力，做到早評(píng)估、早規(guī)劃。

表3 部署建設(shè)模型說(shuō)明

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了我國(guó)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)分布模型評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用歸一化加權(quán)計(jì)算的方法[8]對(duì)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的新增部署方案進(jìn)行了建模。通過(guò)服務(wù)需求程度、部署建設(shè)能力、資源均衡因子等數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建，本文完成了對(duì)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)新增模型的構(gòu)建，并對(duì)我國(guó)未來(lái)國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)新增部署和擴(kuò)容升級(jí)提供了理論性模型參考。