1  引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟深度融合的全新工業(yè)生態(tài)、關(guān)鍵基礎設施和新型應用模式，通過(guò)人、機、物的全面互聯(lián)，實(shí)現全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈的全面聯(lián)接，將推動(dòng)形成全新的工業(yè)生產(chǎn)制造和服務(wù)體系。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)是在全面深度互聯(lián)基礎上，以數據為核心的智能化閉環(huán)，包括網(wǎng)絡(luò )、數據和安全三大技術(shù)板塊。網(wǎng)絡(luò )是實(shí)現工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎，包括網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)、標識解析、應用支撐三大體系；數據是工業(yè)企業(yè)業(yè)務(wù)關(guān)注的重點(diǎn)，包括“采集交換-集成處理-建模分析-決策與控制”等；安全是工業(yè)/產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)各個(gè)領(lǐng)域和環(huán)節的安全保障，包括設備安全、控制安全、網(wǎng)絡(luò )安全、應用安全等。

按需要支撐的業(yè)務(wù)的地理范圍，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)包括工業(yè)園區網(wǎng)絡(luò )、工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )、互聯(lián)網(wǎng)等。

根據ITU-T Y.4208，邊緣計算是在靠近數據源處為業(yè)務(wù)提供所需的計算、存儲、智能、網(wǎng)絡(luò )等資源。

傳統上，強大的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò )、智能等資源以云的方式部署在互聯(lián)網(wǎng)中。云計算按需提供給工業(yè)企業(yè)，能夠大大降低工業(yè)企業(yè)購置計算、存儲、網(wǎng)絡(luò )等資源的成本。但是云計算一般部署在互聯(lián)網(wǎng)中，從工業(yè)企業(yè)的數據產(chǎn)生地到云計算數據中心，需要依靠接入網(wǎng)、承載網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等多域網(wǎng)絡(luò )，時(shí)延、網(wǎng)絡(luò )傳輸可靠性等指標不能滿(mǎn)足工業(yè)企業(yè)的某些業(yè)務(wù)需求，如遠程控制、基于視頻流的交互類(lèi)操作等。此外，工業(yè)企業(yè)對將工業(yè)數據存儲在云服務(wù)供應商的云服務(wù)器里，也有信息安全等方面的顧慮。

本文所研究的工業(yè)園區網(wǎng)絡(luò )技術(shù)聚焦工業(yè)園區邊緣計算業(yè)務(wù)需求，并重點(diǎn)側重端邊協(xié)同網(wǎng)絡(luò )難題。

2  工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )框架

圖1是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )框架，從網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)的角度看，園區網(wǎng)絡(luò )處于現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )和互聯(lián)網(wǎng)之間，并靠近現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的各種終端和設備。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )框架

現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的終端和設備大體可以分為執行器、感知器、視頻終端。

互聯(lián)網(wǎng)中資源豐富，包括計算和存儲資源幾乎不受限的云計算數據中心、可支持從名稱(chēng)到地址解析的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析系統等社會(huì )基礎設施類(lèi)資源，也包括歸屬私有主體的各種數據資源，如終端/設備信息等。

互聯(lián)網(wǎng)能為辦公類(lèi)信息共享、大數據分析等提供有力支撐，但是無(wú)法直接為園區和現場(chǎng)的業(yè)務(wù)提供使能。

邊緣計算伴隨著(zhù)工業(yè)4.0等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰略目標存在，一直是業(yè)內的關(guān)注熱點(diǎn)。將云資源從互聯(lián)網(wǎng)拉回到園區，形成邊緣云。大體上，邊緣云需要處理兩類(lèi)業(yè)務(wù)，一類(lèi)是處理從工業(yè)現場(chǎng)采集來(lái)的多種數據，如分析產(chǎn)品質(zhì)量、對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監測等，另一類(lèi)是需要根據采集到的感知數據對執行器進(jìn)行遠程控制。第一類(lèi)邊緣云業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò )傳輸時(shí)延、可靠性等性能不敏感。第二類(lèi)邊緣云業(yè)務(wù)不論對網(wǎng)絡(luò )傳輸還是有關(guān)的OT技術(shù)都有較大挑戰，是邊緣計算的研究重點(diǎn)。

從工業(yè)現場(chǎng)的終端/設備到園區邊緣云，涉及到的網(wǎng)絡(luò )包括現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )、園區接入網(wǎng)、園區承載網(wǎng)等。實(shí)現現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )與園區接入網(wǎng)、園區承載網(wǎng)協(xié)同，端到端保障從現場(chǎng)終端/設備到邊緣云的網(wǎng)絡(luò )性能指標是邊緣計算有關(guān)網(wǎng)絡(luò )的目標。實(shí)際情況下，因工業(yè)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )往往由工業(yè)裝備以及工業(yè)裝備之間的私有連接、私有協(xié)議以及專(zhuān)有業(yè)務(wù)流程決定，碎片化和封閉是工業(yè)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)。這一特點(diǎn)使得園區網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展變得更加復雜，產(chǎn)業(yè)推進(jìn)也較為緩慢。

舉例來(lái)說(shuō)，以實(shí)現現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )統一承載為目標的TSN，在實(shí)際的推進(jìn)發(fā)展中就遇到TSN與現場(chǎng)終端/設備對接較為困難的問(wèn)題。如果TSN能為現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )提供北向統一承載，將大大有利于園區網(wǎng)絡(luò )與現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )對接，并能有力促進(jìn)從現場(chǎng)終端/裝備到邊緣云的端到端網(wǎng)絡(luò )性能保障。

為了賦能現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )、園區接入網(wǎng)、園區承載網(wǎng)協(xié)同，需要能夠對接現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )、園區接入網(wǎng)、園區承載網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )控制器。網(wǎng)絡(luò )控制器如何識別來(lái)自現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的數據流、如何對不同數據流進(jìn)行差異化的網(wǎng)絡(luò )性能保障是需要解決的問(wèn)題，園區網(wǎng)絡(luò )越大，流識別和網(wǎng)絡(luò )保障難度越大。

總之，要在園區網(wǎng)范圍保障遠程控制類(lèi)業(yè)務(wù)，需要邊緣云、園區網(wǎng)絡(luò )、現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )以及IT和OT技術(shù)的協(xié)同發(fā)展。為了有效保障邊-端協(xié)作，業(yè)內研發(fā)了多種適用于提升園區網(wǎng)絡(luò )性能穩定性的技術(shù)，如TSN、DetNet、DIP、TSC等。

3  關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)述

3.1   TSN

TSN是由IEEE 802.1制定的一系列標準[3]，  主要描述了幾種用于確?；蚋倪M(jìn)以太網(wǎng)流量實(shí)時(shí)傳輸的機制，允許在集成的橋接網(wǎng)絡(luò )上控制具有各種要求的流（flow），例如超低延遲、低抖動(dòng)和零丟失可靠性[3]。IEEE TSN標準最初于2018年正式發(fā)布，適用于Ethernet網(wǎng)絡(luò )[4]。

TSN標準包括時(shí)間同步、流控機制、可靠性保障、資源管理等。

時(shí)間同步標準的主要功能是通過(guò)對本地時(shí)鐘的操作，實(shí)現整個(gè)系統的統一時(shí)間標度。TSN的時(shí)間同步標準主要包括IEEE 1588和IEEE 802.1AS，其標準導圖如圖2[7]所示。

圖2 TSN時(shí)間同步標準導圖

流控機制是TSN實(shí)現流確定低時(shí)延傳輸的關(guān)鍵技術(shù)之一。TSN流控過(guò)程主要包括流分類(lèi)、流整形、流調度和流搶占，如圖3[7]所示。

圖3 TSN流控過(guò)程示意圖

（1）交換機在入端口根據標識符等信息對幀進(jìn)行識別和分類(lèi)；

（2）分類(lèi)后的幀進(jìn)入各自的優(yōu)先級隊列進(jìn)行排隊；

（3）流整形模塊在流排隊完成后對超過(guò)限制速率的AVB（Audio Video Bridging）流進(jìn)行限制和控制，其余如TT（Time Triggered）流和BE（Best Effort）流則無(wú)需進(jìn)行整形，直接進(jìn)行流的調度與搶占操作；

（4）流調度模塊根據不同的流調度策略或算法決定幀的轉發(fā)順序，并根據流特殊需求執行搶占操作；

（5）選擇不沖突的交換機出端口對流進(jìn)行轉發(fā)。 TSN的可靠性主要指網(wǎng)絡(luò )對故障的預防以及恢復能

力。TSN的可靠性標準主要包括IEEE 802.1CB和IEEE802.1Qci兩個(gè)標準，如圖4[7]所示。

圖4 TSN可靠性標準導圖

資源管理的主要功能包括對網(wǎng)絡(luò )資源進(jìn)行管理和配置，以及對性能數據進(jìn)行檢測和分析等。其標準導圖如圖5[7]所示。

圖5 TSN資源管理標準導圖

3.2   DetNet

IETF確定性網(wǎng)絡(luò )（Deterministic Networking，DetNet）是與TSN有密切關(guān)系的技術(shù)。與IEEE TSN主要關(guān)注Layer 2不同，DetNet專(zhuān)注于在Layer 2橋接和Layer 3路由段[6]。圖6是TSN和DetNet之間的關(guān)系示意圖，DetNet使兩個(gè)TSN端系統之間的長(cháng)距離、確定性通信成為可能[7]。

圖6 TSN over DetNet[7]

3.3   DIP

由于DetNet沒(méi)有基于IP層的轉發(fā)時(shí)延控制，無(wú)法很好地應用于大規模網(wǎng)絡(luò )，即不適用于大型域組，例如Internet。為此，2018年，DetNet工作組開(kāi)始研究Deterministic IP（DIP）[8]。

在MWC 2021上海展期間，  華為實(shí)物展示了DIP技術(shù)原型樣機，通過(guò)現場(chǎng)對比普通IP和DIP在承載真實(shí)工業(yè)控制信號時(shí)延和抖動(dòng)的差異，  展示了DIP如何使能微秒級確定性網(wǎng)絡(luò )[9]。

3.4   3GPP TSC

3GPP在R16引入了5G與工業(yè)網(wǎng)絡(luò )互通的架構，  稱(chēng)作時(shí)間敏感通信（Time-Sensitive Communication，TSC）[10] ，如圖7所示。TSC將5G系統作為一個(gè)TSN網(wǎng)橋集成在TSN系統中，通過(guò)高精度時(shí)間同步、確定性轉發(fā)、TSN管理協(xié)同及網(wǎng)絡(luò )拓撲發(fā)現等能力，在固網(wǎng)覆蓋困難或存在移動(dòng)性要求的業(yè)務(wù)場(chǎng)景輔助TSN網(wǎng)絡(luò )，提供確定性網(wǎng)絡(luò )傳輸服務(wù)[11]。

圖7 TSC over 5G System [Source: 3GPP]

為了支持TSN時(shí)間同步，5GS作為T(mén)SN網(wǎng)橋與外部網(wǎng)絡(luò )集成。根據3GPP TS 22.104，應將5GS建模為符合IEEE Std 802.1AS-2020的實(shí)體[12]。對于TSN時(shí)間同步，整個(gè)端到端5GS可視為IEEE Std802.1AS-2020定義的“時(shí)間感知系統”[13]。

4  結語(yǔ)

工業(yè)園區網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)需求各異、技術(shù)基礎也不同，為了有效支持邊緣計算相關(guān)業(yè)務(wù)，特別是控制類(lèi)和協(xié)同操作類(lèi)業(yè)務(wù)，園區網(wǎng)絡(luò )性能的穩定性是必然要保障的重要指標。

本文在梳理了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )框架后，對工業(yè)園區網(wǎng)絡(luò )可能會(huì )用到的幾種確定性網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，即TSN、

DetNet、DIP以及TSC進(jìn)行了研究。TSN、DetNet、DIP可用于園區承載網(wǎng)中，TSC可用于園區5G接入網(wǎng)。具體組網(wǎng)需由實(shí)際場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求確定。

園區網(wǎng)絡(luò )、邊緣計算等是工業(yè)園區實(shí)現進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)升級的基礎性技術(shù)。雖然目前業(yè)內已在園區承載網(wǎng)對TSN等確定性網(wǎng)絡(luò )技術(shù)進(jìn)行了試驗，取得了預期效果，但園區網(wǎng)絡(luò )與工業(yè)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的協(xié)同是端到端保障的關(guān)鍵，是需要進(jìn)一步努力的方向。  

作者簡(jiǎn)介：

賈雪琴  （1979-），女，湖南人，高級工程師，博士，現就職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò )通信有限公司研究院，主要從事工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、確定性網(wǎng)絡(luò )等技術(shù)的研究和標準化工作。

黃   蓉  （1986-），女，四川人，高級工程師，博士，現就職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò )通信有限公司研究院，主要從事移動(dòng)通信，邊緣計算，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等研究工作。

李振廷  （1983-），男，黑龍江人，高級工程師，  博士，現就職于之江實(shí)驗室，主要從事移動(dòng)通信、確定性網(wǎng)絡(luò )、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等研究工作。

韓政鑫  （1994-），女，河南人，工程師，碩士，現就職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò )通信有限公司研究院，主要從事移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )、5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)研究工作。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2022年2月刊