工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“咖”解丨王平：軟件定義的工業(yè)融合網(wǎng)絡(luò)及高速協(xié)議轉(zhuǎn)換
作者：王平工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事、重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)學(xué)院院長 王恒工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任
1.工業(yè)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀
1.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展情況
工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)部署和運(yùn)行的基石。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)所處位置的不同，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)劃分為工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)和工廠外網(wǎng)絡(luò)。工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)一步分為工業(yè)骨干網(wǎng)和工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)骨干網(wǎng)連接不同車間或廠區(qū)，實(shí)現(xiàn)車間級(jí)互連；工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)則是典型的OT（操作技術(shù)）網(wǎng)絡(luò)，連接工控設(shè)備，完成工業(yè)生產(chǎn)控制任務(wù)。經(jīng)過多年的發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)形成了現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)等多種類型。典型的現(xiàn)場總線協(xié)議有Modbus RTU、Profibus、HART等；工業(yè)以太網(wǎng)的代表性協(xié)議有Profinet、Ethernet/IP、Modbus TCP、EtherCAT、Powerlink、EPA等；WIA-PA、WirelessHART、ISA100.11a則是主流的三種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。近年來，現(xiàn)場總線的市場份額逐漸被工業(yè)以太網(wǎng)占據(jù)，工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越廣泛。
1.2當(dāng)前工業(yè)網(wǎng)絡(luò)存在的問題
OT網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是種類繁多，開放性差，僅進(jìn)入IEC國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)種類就達(dá)數(shù)十種。大部分標(biāo)準(zhǔn)自成體系，圍繞網(wǎng)絡(luò)協(xié)議形成一個(gè)個(gè)封閉的軟硬件系統(tǒng)。不同網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)備互聯(lián)互通困難。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造要求對(duì)生產(chǎn)過程精確管控，底層物聯(lián)網(wǎng)到互聯(lián)網(wǎng)需要無縫集成。但傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)采用分層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，造成信息獲取、控制、調(diào)度和管理方面集成度差、協(xié)同能力弱的局限，難以滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造對(duì)底層物聯(lián)網(wǎng)到互聯(lián)網(wǎng)無縫融合與集成的要求。
此外，現(xiàn)有的OT網(wǎng)絡(luò)無法有效適應(yīng)邊緣計(jì)算等新型計(jì)算模式的需求。一些企業(yè)的ERP等系統(tǒng)已經(jīng)能夠部署在云端，但如何對(duì)邊緣控制器、邊緣服務(wù)器等新型計(jì)算設(shè)備和邊云協(xié)同等新模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)適配，成為重要瓶頸問題。同時(shí)，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不夠智能，也缺乏高效的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與管控方法，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、人工智能等IT新技術(shù)尚未有效的擴(kuò)展到OT網(wǎng)絡(luò)中。
因此，有必要打破傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)，建立IT/OT深度融合的新型工業(yè)融合網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的開放互連與信息互通，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的靈活需求。
2.IT/OT融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
為了突破傳統(tǒng)OT網(wǎng)絡(luò)與IT網(wǎng)絡(luò)相互隔離的局限，引入邊緣計(jì)算、SDN等新一代信息技術(shù)，構(gòu)建扁平化、智能化、開放互連的IT/OT融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)組成上，融合網(wǎng)絡(luò)可分為邊緣網(wǎng)絡(luò)/邊緣云、工業(yè)骨干網(wǎng)和工業(yè)云等三個(gè)部分，全網(wǎng)由SDN管理器進(jìn)行統(tǒng)一管控。網(wǎng)絡(luò)中所有實(shí)體都能夠建立和維持對(duì)等的通信關(guān)系，IT數(shù)據(jù)與OT數(shù)據(jù)共網(wǎng)傳輸，靈活流動(dòng)。
整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用全I(xiàn)P化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)以O(shè)PC UA應(yīng)用層信息交互、IPv6網(wǎng)絡(luò)層統(tǒng)一編址和TSN鏈路層交換為基礎(chǔ)的開放互連協(xié)議體系，解決融合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層面的互連互通問題。
在SDN集中管控結(jié)構(gòu)的支撐下，設(shè)計(jì)融合網(wǎng)絡(luò)智能組網(wǎng)機(jī)制和面向工業(yè)應(yīng)用的智能流量預(yù)測機(jī)制，發(fā)揮人工智能在融合網(wǎng)絡(luò)管理和優(yōu)化方面的優(yōu)勢，提升網(wǎng)絡(luò)的智能化水平。
3工業(yè)軟件定義融合網(wǎng)絡(luò)
3.1SDN在互聯(lián)網(wǎng)中的發(fā)展和應(yīng)用
SDN是一種邏輯集中控制的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的管理和狀態(tài)集中到控制器。突破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的封閉性，將控制層和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層相互分離，使網(wǎng)絡(luò)具備良好的可編程能力。
代表性的SDN控制器包括Open DayLight、ONOS、RYU、Floodlight等；SDN交換機(jī)廠商主要有華為、思科、新華三、盛科、戴爾等公司。SDN的標(biāo)準(zhǔn)化主要由ONF、IETF和ETSI等組織機(jī)構(gòu)推動(dòng)。SDN在互聯(lián)網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和廣域網(wǎng)中，有力提升了網(wǎng)絡(luò)的管控能力。
3.2SDN在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)展和應(yīng)用
SDN能夠動(dòng)態(tài)靈活的管理異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，相比于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，SDN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架能夠支持獲得網(wǎng)絡(luò)資源的全局信息，并隨時(shí)根據(jù)用戶業(yè)務(wù)的需要進(jìn)行資源的全局調(diào)配和優(yōu)化。工業(yè)融合網(wǎng)絡(luò)是典型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，且需要對(duì)資源進(jìn)行細(xì)粒度調(diào)配，因此，SDN是IT/OT工業(yè)融合網(wǎng)絡(luò)管控的優(yōu)選手段。
基于SDN的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可分為應(yīng)用層、融合管理層和現(xiàn)場層，將現(xiàn)場層的管理控制功能抽象集成到融合管理層的工業(yè)SDN管理器中，集中處理和統(tǒng)一分配工業(yè)網(wǎng)絡(luò)資源。
應(yīng)用層由不同的工業(yè)應(yīng)用組成，是SDN北向接口的實(shí)際調(diào)用者，負(fù)責(zé)北向接口內(nèi)容的解析和構(gòu)造。融合管理層主要完成現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)和骨干網(wǎng)的集成管理，包括骨干網(wǎng)和工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的入網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)資源分配以及跨網(wǎng)配置等工作。現(xiàn)場層由不同的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施組成，可以完成協(xié)議轉(zhuǎn)換和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)。
工業(yè)SDN的典型應(yīng)用包括多協(xié)議融合組網(wǎng)、跨網(wǎng)絡(luò)調(diào)度等。為了支持上述功能的實(shí)施，還需設(shè)計(jì)針對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)特性改進(jìn)的北向接口和東西向接口。
在多協(xié)議融合組網(wǎng)方面，我們提出了基于SDN的工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合組網(wǎng)機(jī)制，將工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)骨干網(wǎng)的組網(wǎng)功能進(jìn)行抽象集成，通過設(shè)計(jì)協(xié)同入網(wǎng)流程，實(shí)現(xiàn)不同傳輸介質(zhì)、不同協(xié)議類型的異構(gòu)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一入網(wǎng)。
在跨網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方面，我們提出了基于SDN和IPv6技術(shù)的跨網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程確定性傳輸解決方案，包括現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)/回程網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合調(diào)度框架和聯(lián)合調(diào)度方法，解決了工業(yè)融合網(wǎng)絡(luò)在不同測控需求下的確定性傳輸問題，提高了網(wǎng)絡(luò)的資源利用率和運(yùn)行效率。
在工業(yè)SDN北向接口與東西向接口設(shè)計(jì)方面，我們?cè)O(shè)計(jì)了體現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用特征的SDN北向接口，包括功能型接口和意圖型接口，通過統(tǒng)一編排異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信資源，實(shí)現(xiàn)融合管理功能向應(yīng)用層的開放。我們還提出了面向工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的SDN東西向接口，實(shí)現(xiàn)了多控制器之間的有效調(diào)度協(xié)調(diào)。
在設(shè)備研發(fā)方面，我們開發(fā)了工業(yè)SDN交換機(jī)，研制了基于開源平臺(tái)的工業(yè)SDN控制器軟件，為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合管理與調(diào)度功能提供完整的軟硬件支持。
4.高速異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換
4.1異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換面臨的挑戰(zhàn)
在工業(yè)融合網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)與IPv6骨干網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換必不可少。協(xié)議轉(zhuǎn)換的類型主要包括：工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)與IPv6骨干網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換、工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)與IPv6骨干網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。協(xié)議轉(zhuǎn)換功能可采用專用的協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)，也可以合并部署在位于網(wǎng)絡(luò)邊界的SDN交換機(jī)上。
為了降低跨網(wǎng)絡(luò)端到端的傳輸時(shí)延，如何實(shí)現(xiàn)高速的協(xié)議轉(zhuǎn)換，成為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)面臨的重要問題。同時(shí)，如何有效的保持轉(zhuǎn)換前后工業(yè)數(shù)據(jù)流的服務(wù)質(zhì)量，是協(xié)議轉(zhuǎn)換面臨的另外一個(gè)重要問題。
4.2協(xié)議轉(zhuǎn)換方案及裝置
針對(duì)工業(yè)無線與有線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的快速轉(zhuǎn)換問題，我們選擇WIA-PA、WirelessHART、6LoWPAN等工業(yè)無線協(xié)議，設(shè)計(jì)了工業(yè)無線與IPv6有線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的快速轉(zhuǎn)換方法；采用基于應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)換機(jī)制，實(shí)現(xiàn)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層次的整體轉(zhuǎn)換。
針對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與IPv6協(xié)議的轉(zhuǎn)換問題，我們提出了Ethernet/IP、EtherCAT、Profinet、Powerlink等典型工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與IPv6協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換方法，實(shí)現(xiàn)了基于應(yīng)用層服務(wù)質(zhì)量（QoS）的協(xié)議轉(zhuǎn)換。
我們還研制了工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)高速協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置，支持多種工業(yè)無線協(xié)議和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了微秒級(jí)高速協(xié)議轉(zhuǎn)換，解決工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換造成的時(shí)延瓶頸問題。
5.展望
團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持“數(shù)據(jù)為核心、連接為基礎(chǔ)、安全為保障、平臺(tái)為支撐、應(yīng)用為王道”的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展思路，在時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)與軟件定義工業(yè)控制、邊緣智能網(wǎng)關(guān)與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、基于IPv6和OPC UA的工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成、工控網(wǎng)絡(luò)安全深度防御與態(tài)勢感知等方面取得大量成果的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)推進(jìn)人工智能與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深度融合，將AI驅(qū)動(dòng)的軟件定義工業(yè)融合網(wǎng)絡(luò)、基于5G-U的工業(yè)融合網(wǎng)絡(luò)等作為主要研究方向，進(jìn)一步提高工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能和智能化水平。
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