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中国信通院陈剑等：国家顶级节点分布指导理论研究
The following article is from 信息通信技术与政策 Author 陈剑，马晨迪 等
为贯彻习近平总书记关于“深入实施工业互联网创新发展战略重要讲话精神”和中央关于推动工业互联网加快发展的战略决策，2020年12月22日，工业和信息化部发布《工业互联网创新发展行动计划（2021—2023 年）》[1]，在“标识解析增强行动”部分中指出，要“提升国家顶级节点服务能力”。随着我国的工业互联网标准解析体系逐步建设完善，由于国家顶级节点在整个工业互联网标准解析体系中占据举足轻重的地位，国家顶级节的建设越发重要。国家顶级节点不仅能面向全国提供顶级标识解析服务、标识备案、标识认证等管理能力，还可以在国际根节点与二级节点、递归节点之间承上启下，实现连通。
目前，我国国家顶级节点的部署规划尚未有一套标准化、规范化的理论指导。除了初期规划的5个部署位置外，针对后续国家顶级节点的建设规划，我国尚未提出一套理论性指导建议。
1 国家顶级节点当前分布状况
标识解析国家顶级节点是一个国家或地区内部最顶级的标识解析服务节点，对外提供我国工业互联网顶级标识的注册和解析，以及备案、监测、认证、应急等管理支撑能力。国家顶级节点既要与各种标识体系的国际根节点保持连通，又要连通国内的各种二级标识解析服务节点。目前，我国的工业互联网国家顶级节点共开设了5个，分别位于北京、广州、重庆、上海、武汉（见表1）。我国前期建设国家顶级节点应遵循的基本原则如下。
表1 国家顶级节点部署情况（截至2021年1月）
（1）覆盖全国绝大部分地区：东部（上海）、西部（重庆）、南部（广州）、北部（北京）、中部（武汉）。
（2）覆盖全国重要的经济带：京津冀经济圈、珠江三角洲经济带、长江三角洲经济带，以及国家中部及西部开发战略。
2 国家顶级节点部署指导原则
国家顶级节点主要是为工业互联网标识解析体系提供顶层解析服务，将实体经济与数字经济相融合，促进我国工业互联网发展。此外，国家顶级节点部署在我国完全自主可控，可根据实际情况和需求进行调整，且其建设内容相对统一集中。我国国家顶级节点建设的两个基本原则是：国家顶级节点建设向工业发达且业务需求多的省市倾斜；国家顶级节点建设向网络保障能力强的网络运营单位倾斜。
2.1 我国工业互联网整体发展水平与趋势我国工业互联网市场规模和增长趋势[2]如图1所示，其中市场规模每年按13%以上的比率增长。工业互联网市场规模的增长必然增加对工业互联网标识解析系统的需求，同时随着越来越多的工业企业加入工业互联网标识体系，国家顶级节点、二级节点中的注册量、解析量必然增长。截至2020年7月，我国工业互联网标识解析注册量已突破44 亿，其中顶级节点的日解析量已超过180 万。预计未来5~10年我国顶级节点的解析量还将大幅增长。因此，可以考虑通过新增或扩容部署国家顶级节点，使其数量从5 个增加到7 个，以满足未来国家顶级节点的解析业务需求。
图1 工业互联网市场规模（来源：前瞻产业研究院分析报告）
2.2 国家顶级节点分布需求国家顶级节点的部署建设需要将对工业互联网标识系统的业务需求量作为首要考量指标。国家顶级节点最终是为工业互联网标识体系服务的，而各省、直辖市的工业发展程度、工业互联网业务量各不相同。目前，我国按照工业省份TOP10排名，依次为：广东、江苏、山东、浙江、福建、河南、四川、河北、安徽、湖北；按照工业城市TOP10排名，依次为：上海、北京、广州、深圳、苏州、天津、重庆、杭州、青岛、无锡[3]。
2.3 国家顶级节点资源分布如图2所示，国家顶级节点直接为二级及其他企业节点提供顶层的解析服务。目前，我国二级节点70多个，企业节点6000 多个，标识注册量超过70 亿[4]。据不完全统计，我国大部分二级节点和企业节点还是以工业发展指数较高的省市为主要部署地，二级节点和企业节点保持高速增长，相对现有5 个国家顶级节点，后续顶级节点数量将被下一级业务推动扩张。
2.4 国家顶级节点网络保障能力工业互联网中的很多相关业务对时延的要求非常高，因此工业互联网标识体系必须建立在优质的网络通信基础之上，所部署地域的信息网络部署能力、综合网络传输性能是重要的考察指标。由于网络传输主要由运营商承建，因此需要对各省三大运营商的网络能力进行评估，保障国家顶级节点与下级节点的通信稳定性和低时延响应性。
2.5 国家顶级节点互联互通能力国家顶级节点不单作为国家或地区内部最顶级的标识解析服务节点，面向全国范围提供顶级标识编码注册和标识解析服务，还可以作为一个特殊的节点，完成与各种标识体系的国际根节点互联互通的功能。
3 国家顶级节点分布理论研究
3.1 国家顶级节点服务需求能力指标选取如图2所示，国家顶级节点对接二级节点和递归解析节点，并为下级节点提供标识解析和递归解析服务。根据需求服务内容和运行属性，体现国家顶级节点的指标存在六大要素：各省二级节点对国家顶级节点的注册量(a1)、各省二级节点对国家顶级节点的解析量(a2)、各省二级节点对国家顶级节点的解析效率(a3)、各省递归节点对国家顶级节点的注册量(a4)、各省递归节点对国家顶级节点的解析量(a5)、各省递归节点对国家顶级节点的解析效率(a6)。具体指标参数说明如表2所示。
表2 服务需求程度模型说明
3.2 国家顶级节点部署能力指标选取
国家顶级节点的建设依赖网络通信能力，网络运营商是国家顶级节点建设的最主要机构，良好的网络安全保障能力有助于国家顶级节点的稳定运行。所以，国家顶级节点在各省的建设应综合考虑该省的综合网络传输性能。根据《2019中国网络状况白皮书(精简版)》[5]中的相关数据进行分析，可得到我国31个省三大运营商网络性能数据，将其归一化后，可作为基础电信企业各省网络性能的指标值。我国拥有重要基础设施的省往往拥有较多的链路出省方向数量、较好的带宽利用率、较好的安全保障和运维能力、较好的资金保障能力。所以，要提高国家顶级节点的部署能力，要考虑如表3所示三大因素：各省综合网络传输性能(b1)、各省信息网络部署建设能力(b2)、各省信息对国家顶级节点的安全保障能力(b3 )。
表3 部署建设模型说明
3.3 国家顶级节点均衡因子指标国家顶级节点最终服务于工业互联网企业，每个省的工业水平也间接反映了该省对国家顶级节点标识解析的需求。工业水平高的省未来对工业互联网标识解析的需求比较高，权重也较高，未来部署国家顶级节点的需求也较高。因此，可将指标因素设置为C，权重因子设置为k3 。
3.4 国家顶级节点部署理论指导由于模型建立涉及的数据指标多、数据量大,而且需要根据实际情况对模型进行动态调整，因此模型建立既要合理又不应过于复杂。结合实际经验，可采用归一化计算和动态加权的方法对国家顶级节点增加部署方案进行建模。结合国家顶级节点服务需求程度(A)、部署建设能力(B)和均衡因子指(C)三方面数据的10个指标，可以综合计算得到各省在国家顶级节点部署方面的综合评分(R)，其计算公式如下:
4 国家顶级节点部署风险规避建议
4.1 节点分布的均衡性风险建议目前，我国第一批国家顶级节点的建设是按照东(上海)、南(广州)、西(重庆)、北(北京)、中(武汉)的方案来进行。但是，根据业务需求、二级或企业节点、网络能力等分析指标预测，未来我国国家顶级节点的部署规划大概率偏向东南部而弱化西北部，这与工业互联网的发展初衷相悖。因此，我国需要全国一盘棋考虑,带动发展滞后地区，提升国家顶级节点对这类地域的服务能力，故在未来规划中需要考虑在西北部地区建设一些关键节点。
4.2 业务流量的影响性风险建议过去工业网络流量是封闭式的，在5G和物联网技术逐渐成熟的大环境下，工业互联网快速发展，工业数据互联互通，整个工业流量的增长速度和整体规模是无法线性预估的。因此，我国需要对现有节点进行监测统计，不断评估现有体系架构对业务流量的承载能力，做到早评估、早规划。
5 结束语
本文提出了我国国家顶级节点分布模型评价指标，采用归一化加权计算的方法[8]对国家顶级节点的新增部署方案进行了建模。通过服务需求程度、部署建设能力、资源均衡因子等数据模型的构建，本文完成了对国家顶级节点新增模型的构建，并对我国未来国家顶级节点新增部署和扩容升级提供了理论性模型参考。
参考文献
[1] 工业和信息化部工业互联网专项工作组. 工业互联网创新发展行动计划(2021—2023年)[Z], 2020.[2] 前瞻产业研究院. 2021—2026年中国工业互联网产业发展前景预测与投资战略规划分析报告[R], 2020.[3] 中国工业互联网研究院. 中国工业互联网产业经济发展白皮书(2020年)[R], 2020.[4] 国家工业信息安全发展研究中心, 工业信息安全产业发展联盟. 工业互联网标识解析安全白皮书(2020)[R], 2020.[5] 测速网. 2019年中国网络状况白皮书(精简版)[R], 2020.[6] 工业和信息化部, 教育部, 人力资源和社会保障部. 加强工业互联网安全工作的指导意见[Z], 2019.[7] 中国信息通信研究院. 工业互联网产业经济发展报告(2020年)[R], 2020.[8] Sergey Ioffe, Christian Szegedy. Batch normalization: accelerating deep network training by reducing internal covariate shift[C]. ICML 15: Proceedings of the 32nd International Conference on International Conference on Machine Learning, 2015,37(7):448-456.
作者简介
陈 剑
中国信息通信研究院工业互联网与物联网研究所系统开发部主任工程师，多年域名技术领域工作经验，主要研究方向为域名管理、DNS基础设施及其安全体系。
马晨迪
中国信息通信研究院工业互联网与物联网研究所系统开发工程师，主要研究方向为域名、DNS基础设施及其安全体系。
谢家贵
中国信息通信研究院工业互联网与物联网研究所副总工程师，主要研究领域为域名、工业互联网标识领域的研发和运维的管理工作。
李炳奇
中国信息通信研究院工业互联网与物联网研究所平台规划工程师，主要研究方向为域名、DNS基础设施及其安全体系。
李志平
中国信息通信研究院工业互联网与物联网研究所系统开发部主任，负责研发管理工作，在域名、工业互联网标识领域有着深厚的积累。
论文引用格式
陈剑, 马晨迪, 谢家贵, 等. 国家顶级节点分布指导理论研究[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47 (4):54-58.
本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第4期
主办：中国信息通信研究院
《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。
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校 审 | 陈 力、珊 珊
编 辑 | 凌 霄
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