我們梳理一下網(wǎng)絡(luò )技術(shù)或者互聯(lián)網(wǎng)的主流通信技術(shù)發(fā)展的歷程，從100年前剛出現模擬和數字傳輸開(kāi)始一直到現在我們有如此方便快捷高效穩定互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)。

中科院李棟：工業(yè)SDN網(wǎng)絡(luò )關(guān)鍵技術(shù)與測試床

李棟：感謝?；?，各位嘉賓大家好，我來(lái)介紹一下工業(yè)SDN關(guān)鍵技術(shù)與測試床的相關(guān)內容。我的報告分三個(gè)部分，首先介紹一下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展的脈絡(luò )，由此引出我們?yōu)槭裁葱枰I(yè)互聯(lián)網(wǎng)這樣的網(wǎng)絡(luò )，然后給大家簡(jiǎn)單介紹一下這個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )架構和一些相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。最后，我會(huì )花大一點(diǎn)的篇幅結合我們在A(yíng)II里面成功跟生產(chǎn)相關(guān)的測試床，給大家介紹工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )具體的內容。

我們梳理一下網(wǎng)絡(luò )技術(shù)或者互聯(lián)網(wǎng)的主流通信技術(shù)發(fā)展的歷程，從100年前剛出現模擬和數字傳輸開(kāi)始一直到現在我們有如此方便快捷高效穩定互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)。在這個(gè)過(guò)程中我看到出現了一個(gè)從市場(chǎng)體量來(lái)說(shuō)非常小的分支就是工業(yè)網(wǎng)絡(luò )?？梢哉f(shuō)所有工業(yè)網(wǎng)絡(luò )到目前為止全部是由商用網(wǎng)絡(luò )或者由互聯(lián)網(wǎng)這樣的主流技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。但是為什么我們不能夠直接使用主流的商用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)？一定在工業(yè)里面提出一些新的技術(shù)，提出一些跟主流不同甚至不兼容的技術(shù)。原因就是在于我們中間劃了一道線(xiàn)，商用網(wǎng)絡(luò )本身具有比較強的非確定性。工業(yè)領(lǐng)域我們更強調確定性或者說(shuō)實(shí)時(shí)性或者說(shuō)是確定性的實(shí)時(shí)，確定性的可靠，我們更關(guān)注這樣的內容。

簡(jiǎn)單梳理一下商用網(wǎng)絡(luò )發(fā)展歷程，可以發(fā)現在這個(gè)過(guò)程中商用網(wǎng)絡(luò )不斷的提高帶寬滿(mǎn)足用戶(hù)對吞吐量方面的需求。在這個(gè)過(guò)程中其實(shí)是建立在一個(gè)理論統計復用的理論基礎之上，帶寬越多、資源越多、用戶(hù)的需求得到滿(mǎn)足的概率就越大，但是并不會(huì )達到百分之百。他并不能夠保證每時(shí)每刻每一個(gè)業(yè)務(wù)都能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。

由此產(chǎn)生了工業(yè)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，傳統的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是在IEEE802.3以太網(wǎng)技術(shù)成熟之后，工業(yè)網(wǎng)絡(luò )借鑒了以太網(wǎng)的幀結構。因為當時(shí)以太網(wǎng)的核心是CSMA/CD機制，天然會(huì )帶來(lái)網(wǎng)絡(luò )部確定性。很多廠(chǎng)商所有主流做工業(yè)自動(dòng)化的廠(chǎng)商都在標準以太網(wǎng)的基礎之上做了他們自己相應的改變，將CSMA機制改變，用什么樣的機制，一定會(huì )把它改掉，時(shí)分、輪詢(xún)、令牌、集總幀等機制避免競爭，可以給CSMA網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)確定性，保證實(shí)時(shí)性要求。隨著(zhù)實(shí)時(shí)性等級不同，可以將現有工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)分為三類(lèi)，他們是對實(shí)時(shí)性保障級別是各有不同的。

剛才提到因為不同的廠(chǎng)商根據自己的工業(yè)控制領(lǐng)域不同的要求，比如運動(dòng)控制和自動(dòng)化控制，其實(shí)他在實(shí)施性的要求是不同。針對不同的需求設置不同的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，研制不同的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，進(jìn)一步造成了網(wǎng)絡(luò )之間其實(shí)很難相互兼容和互聯(lián)?，F在的方式是我們用了一個(gè)往往是通過(guò)網(wǎng)關(guān)的形式，形成多個(gè)網(wǎng)絡(luò )之間的互聯(lián)，能夠做一個(gè)比較簡(jiǎn)單的數據的流通。但是這個(gè)過(guò)程中因為要做大量的應用層的適配，數據一定要到應用層里面甚至說(shuō)因為工業(yè)以太協(xié)議的數量、復雜程度太多，使得我們很難將兩兩協(xié)議都完全適配起來(lái)，形成一個(gè)完全打通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的狀況。

因此無(wú)論是國內還是國外在發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)候，都面臨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )相互割裂，嚴重影響了網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)效應這樣的問(wèn)題。同時(shí)也都提出了我們能不能用同一張網(wǎng)絡(luò )，能不能構建扁平化的網(wǎng)絡(luò )，使用相同或者類(lèi)似網(wǎng)絡(luò )設備將所有工業(yè)控制方面設備和服務(wù)于工業(yè)控制的管理和IT業(yè)務(wù)的設備全部連接起來(lái)。

因此我們提出來(lái)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的工廠(chǎng)內網(wǎng)里面正在向著(zhù)一個(gè)ITOT融合趨勢發(fā)展，我們總結一下一個(gè)ITOT融合的網(wǎng)絡(luò )應該具備的功能。首先是融合接入，這個(gè)網(wǎng)絡(luò )應該能夠接受工業(yè)以太網(wǎng)的專(zhuān)有協(xié)議和標準以太網(wǎng)的通用協(xié)議都可以插到這個(gè)網(wǎng)絡(luò )里面，都可以通過(guò)這個(gè)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行統一接入。第二是融合的互聯(lián)，因為目前我們仍然保留大量現有工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的系統，原有系統和原有生態(tài)里面，原來(lái)專(zhuān)有的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議仍然會(huì )占有相當大的市場(chǎng)份額和空間。這里面這個(gè)網(wǎng)絡(luò )需要支持融合互聯(lián)，能夠支持標準以太網(wǎng)協(xié)議相互之間的互聯(lián)，也支持工業(yè)以太網(wǎng)專(zhuān)有之間的互聯(lián)。因為我們使用同一張網(wǎng)絡(luò )，這個(gè)網(wǎng)絡(luò )管理角度來(lái)說(shuō)，我能夠看到這個(gè)網(wǎng)絡(luò )里面所有流量，能夠看到這里面所有設備。我有理由能夠做一個(gè)統一融合的管理，可以進(jìn)行統一拓撲管理、設備管理、策略管理、業(yè)務(wù)管理等等現在網(wǎng)絡(luò )管理應該做的東西都可以在這個(gè)統一的網(wǎng)絡(luò )里面來(lái)進(jìn)行完成。

為了實(shí)現這樣一個(gè)ITOT融合的網(wǎng)絡(luò )，我們借鑒SDN的理念，在網(wǎng)絡(luò )層構建一個(gè)扁平化架構，這些轉入、轉發(fā)的網(wǎng)絡(luò )設備他們其實(shí)相互平等，他們是以一個(gè)融合的形式連接在一起。這里會(huì )有一個(gè)統一的ICT的控制器，由這個(gè)控制器進(jìn)行整個(gè)網(wǎng)絡(luò )統一管理和調度。所有用于工業(yè)生產(chǎn)的IT和OT設備，全都能接入這樣的網(wǎng)絡(luò )中來(lái)。這樣的網(wǎng)絡(luò )里面，他們的核心，因為說(shuō)他連接了原有IT和OT設備，網(wǎng)絡(luò )本身就既要保證IT業(yè)務(wù)、高帶寬、高吞吐量的需求，又要滿(mǎn)足OT的需求，這是這個(gè)網(wǎng)絡(luò )組合需要解決的問(wèn)題。這樣的網(wǎng)絡(luò )中，我們之所以借鑒了SDN的架構，我們看到我們可以利用SDN的北向接口跟工業(yè)控制系統相關(guān)聯(lián)，系統會(huì )產(chǎn)生什么樣的通訊的需求，有多大的通信量，有什么樣的實(shí)時(shí)和可靠性的要求，可以通過(guò)北向接口送到控制器這邊來(lái)，控制器掌握所有調度和管理，生成策略下發(fā)到扁平化的交換機里面去。通過(guò)這樣的架構，極大的提高網(wǎng)絡(luò )擴展性和靈活性，又能保證現有的ITOT業(yè)務(wù)的需求。

從技術(shù)角度主要的思路是說(shuō)我們在任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò )都有控制面和轉發(fā)面的分離，這套系統里面轉發(fā)面主要負責數據流的轉發(fā)，承載數據流，按照相應策略進(jìn)行轉發(fā)?？刂泼嫖覀冊O計相應的網(wǎng)絡(luò )模型計算一共有多少資源，現在的業(yè)務(wù)占去多少資源，還剩下多少資源。有一個(gè)新的業(yè)務(wù)請求，通過(guò)北向接口到我網(wǎng)絡(luò )里來(lái)之后，我通過(guò)什么樣的策略在現有網(wǎng)絡(luò )資源情況下能夠進(jìn)行承載。能承載，我會(huì )聲稱(chēng)相應的策略。如果不能承載，要顯示通知相應的業(yè)務(wù)提出方，你的需求我無(wú)法滿(mǎn)足，你的業(yè)務(wù)不要上線(xiàn)。這是我們在工業(yè)領(lǐng)域非常愿意接受這樣一套模式。

由于時(shí)間關(guān)系，我的技術(shù)方面不多說(shuō)，這里簡(jiǎn)單結合我們測床軟件定義可重構智能制造驗證示范平臺來(lái)給大家介紹一下這個(gè)平臺的情況。這個(gè)平臺中間的一層網(wǎng)絡(luò )核心就是我剛才提到的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )。這個(gè)測試床提出的背景是這樣的，隨著(zhù)消費理念不斷升級，現在很多行業(yè)尤其是跟消費者關(guān)系比較大的電阻家電更偏零售業(yè)行業(yè)越來(lái)越面臨個(gè)性化定制的需求。我生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品，產(chǎn)品定型、上市到被淘汰的時(shí)間越來(lái)越快，如果這個(gè)廠(chǎng)商不能很快的跟上新的潮流，不能跟上新的IP，不能有新的熱點(diǎn)產(chǎn)品出現，這個(gè)廠(chǎng)商在市場(chǎng)上的生存率生存幾率很低。這個(gè)過(guò)程中我們發(fā)現傳統的自動(dòng)化的生產(chǎn)線(xiàn)，它的自動(dòng)化水平越高、效率越高，當我要對它進(jìn)行改變的時(shí)候，當我要做一個(gè)新的產(chǎn)品，要做這個(gè)產(chǎn)品的工藝和各方面調整的時(shí)候，它轉變的速度就越慢。在這個(gè)過(guò)程中要添加大量的人工操作，使得耗時(shí)非常長(cháng)。我們希望整個(gè)，相應如果說(shuō)我們原來(lái)生產(chǎn)線(xiàn)里面是大量的人工，雖然說(shuō)我們效率會(huì )低一些，但是當我這個(gè)生產(chǎn)會(huì )發(fā)生改變的時(shí)候，轉場(chǎng)進(jìn)行個(gè)性化定制的時(shí)候，人的效率，人的柔性是很好的。

我們面臨問(wèn)題既要提升自動(dòng)化率，既要在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程當中減少人的干預，從事又要保證怎樣快速實(shí)現新的訂單，適應新的產(chǎn)品，適應新的產(chǎn)品的生產(chǎn)是我們面臨的一個(gè)主要的問(wèn)題。因此整個(gè)測試床是面向個(gè)性化需求，產(chǎn)品更新?lián)Q代比較快的離散制造業(yè)。怎樣設計一套新的生產(chǎn)系統，包括對設備編程，網(wǎng)絡(luò )，軟硬件系統，通過(guò)一整套的改變去支撐高度定制化生產(chǎn)的產(chǎn)品會(huì )快速而且是規?；a(chǎn)。

傳統現有制造流程從設計到最后的產(chǎn)品生產(chǎn)是串形的過(guò)程。如果我要發(fā)生改變，從機械結構、工業(yè)網(wǎng)絡(luò )、管控軟件，包括自動(dòng)化軟件從各個(gè)方面進(jìn)行更改，我的調整周期會(huì )很長(cháng)。造成這樣長(cháng)周期根本的原因，我們認為現在的自動(dòng)化系統PIC的編程模式類(lèi)似匯編的架構，修改難度比較大，代碼和相關(guān)的部件的自用率比較低我們構建一個(gè)軟件定義的平臺，這個(gè)平臺中中間這層是網(wǎng)絡(luò )，這層是基于SDN的ITOT融合的網(wǎng)絡(luò )，下面連接各種制造設備，上面將云、MES、CPS統一在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )之上，解決上下之間軟件層面和硬件層面之間以及上下南北和東西向的數據交互非常的靈活便利。同時(shí)我們將原本應該是沉淀于設備本身，設備端很多自動(dòng)化控制相關(guān)的功能，將這部分代碼進(jìn)行孵化和智能化封裝，將原本應該在底層PIC層面進(jìn)行控制調度這樣的操作，全部提交到CPS管控軟件。我們將原來(lái)很多匯編級做的事情放到高一層的層面來(lái)做極大的提高整個(gè)系統的效率。這個(gè)過(guò)程中我使用更高級的語(yǔ)言，整個(gè)系統的實(shí)時(shí)性和可靠性，這里我們會(huì )設計相應的技術(shù)去解決遇到的各種問(wèn)題。

通過(guò)這樣的系統，我們可以實(shí)現這樣的場(chǎng)景，這是我們三個(gè)場(chǎng)景之一。當我的訂單發(fā)生變化的時(shí)候，比如我原來(lái)的生產(chǎn)是這樣，我的訂單有兩倍的時(shí)候，我的生產(chǎn)線(xiàn)會(huì )自動(dòng)發(fā)現我產(chǎn)生瓶頸的生產(chǎn)環(huán)節，是一個(gè)打磨的環(huán)節。我會(huì )有一個(gè)自動(dòng)，承載打磨的裝置，隨時(shí)加入到系統的生產(chǎn)過(guò)程中來(lái)，解決瓶頸的工藝效率。當我高峰訂單過(guò)去之后，可以撤去，可以支撐這樣動(dòng)態(tài)的變化的調整。這樣的過(guò)程中，需要網(wǎng)絡(luò )支撐自動(dòng)化系統的重構，需要其中的軟件支持重構，需要上面的各種應用系統支持它的重構。

通過(guò)這樣的測試床我們能夠實(shí)現個(gè)性化定制產(chǎn)品的快速、規?；a(chǎn)，控制系統編程復雜度降低90%。測試床也受到了各級領(lǐng)導的廣泛重視，也得了一些獎。

我的匯報到此結束，謝謝大家。

摘自 中國信息通信研究院