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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(jì)深度融合的全新工業(yè)生態(tài)、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和新型應(yīng)用模式，通過人、機(jī)、物的全面互聯(lián)，實現(xiàn)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的全面聯(lián)接，將推動形成全新的工業(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(chǔ)上，以數(shù)據(jù)為核心的智能化閉環(huán)，包括網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和安全三大技術(shù)板塊。網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，包括網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、標(biāo)識解析、應(yīng)用支撐三大體系；數(shù)據(jù)是工業(yè)企業(yè)業(yè)務(wù)關(guān)注的重點，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)各個領(lǐng)域和環(huán)節(jié)的安全保障，包括設(shè)備安全、控制安全、網(wǎng)絡(luò)安全、應(yīng)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(qū)網(wǎng)絡(luò)、工廠網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等。

根據(jù)ITU-T Y.4208，邊緣計算是在靠近數(shù)據(jù)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(tǒng)上，強(qiáng)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(shù)據(jù)產(chǎn)生地到云計算數(shù)據(jù)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)，時延、網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性等指標(biāo)不能滿足工業(yè)企業(yè)的某些業(yè)務(wù)需求，如遠(yuǎn)程控制、基于視頻流的交互類操作等。此外，工業(yè)企業(yè)對將工業(yè)數(shù)據(jù)存儲在云服務(wù)供應(yīng)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(qū)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)聚焦工業(yè)園區(qū)邊緣計算業(yè)務(wù)需求，并重點側(cè)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(qū)網(wǎng)絡(luò)處于現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)之間，并靠近現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的各種終端和設(shè)備。

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

現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的終端和設(shè)備大體可以分為執(zhí)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(shù)據(jù)中心、可支持從名稱到地址解析的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析系統(tǒng)等社會基礎(chǔ)設(shè)施類資源，也包括歸屬私有主體的各種數(shù)據(jù)資源，如終端/設(shè)備信息等。

互聯(lián)網(wǎng)能為辦公類信息共享、大數(shù)據(jù)分析等提供有力支撐，但是無法直接為園區(qū)和現(xiàn)場的業(yè)務(wù)提供使能。

邊緣計算伴隨著工業(yè)4.0等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略目標(biāo)存在，一直是業(yè)內(nèi)的關(guān)注熱點。將云資源從互聯(lián)網(wǎng)拉回到園區(qū)，形成邊緣云。大體上，邊緣云需要處理兩類業(yè)務(wù)，一類是處理從工業(yè)現(xiàn)場采集來的多種數(shù)據(jù)，如分析產(chǎn)品質(zhì)量、對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)測等，另一類是需要根據(jù)采集到的感知數(shù)據(jù)對執(zhí)行器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。第一類邊緣云業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)傳輸時延、可靠性等性能不敏感。第二類邊緣云業(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(zhàn)，是邊緣計算的研究重點。

從工業(yè)現(xiàn)場的終端/設(shè)備到園區(qū)邊緣云，涉及到的網(wǎng)絡(luò)包括現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)、園區(qū)接入網(wǎng)、園區(qū)承載網(wǎng)等。實現(xiàn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)與園區(qū)接入網(wǎng)、園區(qū)承載網(wǎng)協(xié)同，端到端保障從現(xiàn)場終端/設(shè)備到邊緣云的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)是邊緣計算有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)。實際情況下，因工業(yè)現(xiàn)場網(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)議以及專有業(yè)務(wù)流程決定，碎片化和封閉是工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的特點。這一特點使得園區(qū)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展變得更加復(fù)雜，產(chǎn)業(yè)推進(jìn)也較為緩慢。

舉例來說，以實現(xiàn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一承載為目標(biāo)的TSN，在實際的推進(jìn)發(fā)展中就遇到TSN與現(xiàn)場終端/設(shè)備對接較為困難的問題。如果TSN能為現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)提供北向統(tǒng)一承載，將大大有利于園區(qū)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)對接，并能有力促進(jìn)從現(xiàn)場終端/裝備到邊緣云的端到端網(wǎng)絡(luò)性能保障。

為了賦能現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)、園區(qū)接入網(wǎng)、園區(qū)承載網(wǎng)協(xié)同，需要能夠?qū)蝇F(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)、園區(qū)接入網(wǎng)、園區(qū)承載網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制器。網(wǎng)絡(luò)控制器如何識別來自現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流、如何對不同數(shù)據(jù)流進(jìn)行差異化的網(wǎng)絡(luò)性能保障是需要解決的問題，園區(qū)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(qū)網(wǎng)范圍保障遠(yuǎn)程控制類業(yè)務(wù)，需要邊緣云、園區(qū)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場網(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(nèi)研發(fā)了多種適用于提升園區(qū)網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定性的技術(shù)，如TSN、DetNet、DIP、TSC等。

3  關(guān)鍵技術(shù)簡述

3.1   TSN

TSN是由IEEE 802.1制定的一系列標(biāo)準(zhǔn)[3]，  主要描述了幾種用于確保或改進(jìn)以太網(wǎng)流量實時傳輸?shù)臋C(jī)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、低抖動和零丟失可靠性[3]。IEEE TSN標(biāo)準(zhǔn)最初于2018年正式發(fā)布，適用于Ethernet網(wǎng)絡(luò)[4]。

TSN標(biāo)準(zhǔn)包括時間同步、流控機(jī)制、可靠性保障、資源管理等。

時間同步標(biāo)準(zhǔn)的主要功能是通過對本地時鐘的操作，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的統(tǒng)一時間標(biāo)度。TSN的時間同步標(biāo)準(zhǔn)主要包括IEEE 1588和IEEE 802.1AS，其標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)圖如圖2[7]所示。

圖2 TSN時間同步標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)圖

流控機(jī)制是TSN實現(xiàn)流確定低時延傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。TSN流控過程主要包括流分類、流整形、流調(diào)度和流搶占，如圖3[7]所示。

圖3 TSN流控過程示意圖

（1）交換機(jī)在入端口根據(jù)標(biāo)識符等信息對幀進(jìn)行識別和分類；

（2）分類后的幀進(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）流則無需進(jìn)行整形，直接進(jìn)行流的調(diào)度與搶占操作；

（4）流調(diào)度模塊根據(jù)不同的流調(diào)度策略或算法決定幀的轉(zhuǎn)發(fā)順序，并根據(jù)流特殊需求執(zhí)行搶占操作；

（5）選擇不沖突的交換機(jī)出端口對流進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。 TSN的可靠性主要指網(wǎng)絡(luò)對故障的預(yù)防以及恢復(fù)能

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

圖4 TSN可靠性標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)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(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和分析等。其標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)圖如圖5[7]所示。

圖5 TSN資源管理標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)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TSN端系統(tǒng)之間的長距離、確定性通信成為可能[7]。

圖6 TSN over DetNet[7]

3.3   DIP

由于DetNet沒有基于IP層的轉(zhuǎn)發(fā)時延控制，無法很好地應(yīng)用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，即不適用于大型域組，例如Internet。為此，2018年，DetNet工作組開始研究Deterministic IP（DIP）[8]。

在MWC 2021上海展期間，  華為實物展示了DIP技術(shù)原型樣機(jī)，通過現(xiàn)場對比普通IP和DIP在承載真實工業(yè)控制信號時延和抖動的差異，  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(gòu)，  稱作時間敏感通信（Time-Sensitive Communication，TSC）[10] ，如圖7所示。TSC將5G系統(tǒng)作為一個TSN網(wǎng)橋集成在TSN系統(tǒng)中，通過高精度時間同步、確定性轉(zhuǎn)發(fā)、TSN管理協(xié)同及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)等能力，在固網(wǎng)覆蓋困難或存在移動性要求的業(yè)務(wù)場景輔助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時間同步，5GS作為TSN網(wǎng)橋與外部網(wǎng)絡(luò)集成。根據(jù)3GPP TS 22.104，應(yīng)將5GS建模為符合IEEE Std 802.1AS-2020的實體[12]。對于TSN時間同步，整個端到端5GS可視為IEEE Std802.1AS-2020定義的“時間感知系統(tǒng)”[13]。

4  結(jié)語

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

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(qū)網(wǎng)絡(luò)可能會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(qū)承載網(wǎng)中，TSC可用于園區(qū)5G接入網(wǎng)。具體組網(wǎng)需由實際場景和業(yè)務(wù)需求確定。

園區(qū)網(wǎng)絡(luò)、邊緣計算等是工業(yè)園區(qū)實現(xiàn)進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)升級的基礎(chǔ)性技術(shù)。雖然目前業(yè)內(nèi)已在園區(qū)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(yù)期效果，但園區(qū)網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)現(xiàn)場網(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。  

作者簡介：

賈雪琴  （1979-），女，湖南人，高級工程師，博士，現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)化工作。

黃   蓉  （1986-），女，四川人，高級工程師，博士，現(xiàn)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(xiàn)就職于之江實驗室，主要從事移動通信、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(xiàn)就職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院，主要從事移動網(wǎng)絡(luò)、5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及行業(yè)專網(wǎng)研究工作。

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摘自《自動化博覽》2022年2月刊