基于SDN技術的工業網絡互聯及協同平臺解決方案
1 概述
針對企業外網絡化改造集成應用需求與挑戰，聚焦基礎架構設計、關鍵技術攻關、平臺構建等，重點開展基于SDN技術的新型工業互聯網架構設計，大規模網絡操作系統、云網一體邊緣計算平臺、數據中心網絡、網絡智能運維、工業設備信息采集、工業大數據等核心關鍵技術，構建低時延、高可靠、廣覆蓋、可管控的工業互聯網示范網絡。
1.1 背景
伴隨著企業的數字化轉型以及云計算和SDN/NFV技術的興起和普及，越來越多的傳統企業工廠設備接入工業專網，并通過互聯網進行跨區域傳輸，同時企業上云已經成為共識，通過結合公有云與私有云，打造企業混合云成為未來一段時間內的大趨勢。
傳統工業企業、廠區面臨著不同于以往的網絡互聯和網絡安全挑戰。傳統的網絡設備和網管系統使用復雜、技術要求高，不能滿足工業企業對網絡的便捷有效管理需求。同時為保證網絡安全，需要在網關處堆疊多種不同類型的安全設備，不但組網復雜，管理維護難度大，也自然造成設備采購和運維成本高。
1.2 實施目標
依照《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》，解決互聯網與實體經濟深度融合過程中傳統“盡力而為”網絡架構難以支撐工業互聯網的問題。
利用SDN/NFV等新技術前瞻布局工業互聯網，重點設計基于SDN技術的新型工業互聯網架構，攻克大規模網絡操作系統、云網一體邊緣計算平臺、數據中心網絡、網絡智能運維等核心關鍵技術在工業互聯網場景中的應用適配問題;
支持企業-企業、企業-平臺、平臺-平臺的靈活組網和資源調度，實現企業間、平臺間的資源協同，為企業外網絡化改造集成應用提供保障;打造開放生態，擴大接入企業的類型和數量，為地方產業轉型、制造業升級改造提供支持。
1.3 適用范圍
從經濟視角，工業互聯網采用SDN/NFV技術構建的基礎網絡設施，可以大大降低建設成本。具體表現在:一是SDN控制器技術，提升了網絡的可編程性，簡化了網絡管理，降低了運營成本。二是NFV實現了網元功能的虛擬化，按需分配資源，彈性伸縮，自動化部署，大大縮短了新業務上線時間，提升了運營效率，減少設備投入成本。三是通過端局云化、混合云等云計算平臺業務為企業提供從ICT基礎到IP電話、協同軟件以及人事、財務、客戶管理等這些大眾軟件業務服務，可復用性強，通用性高。
從應用視角，由于云計算應用的用戶信息資源的高度集中，存在的風險以及帶來的安全事件后果也較傳統應用高出很多。本方案結合軟件定義安全、安全服務鏈、態勢感知等先進的安全技術，構建成一個面向工業應用需求的全新一代云網一體化安全環境。
從運作效率視角，新型網絡的靈活調度配置能力可以促使資源流動并得以優化。同時提供更全面、安全可靠、快捷的服務和應用業務流程。
1.4 在工業互聯網網絡體系架構中的位置
基于SDN技術的工業網絡互聯及協同平臺解決方案適用于下圖中6，7，8場景，涉及到圖中的智能工廠內網邊緣、工廠外部網絡和工業云平臺。網關將工廠內部數據收集并通過外部網絡傳送到位于云端的協同管理平臺，用戶即可登錄遠程查看并管理網絡。
圖4-1 工業互聯網互聯示意圖
2 需求分析
企業外網絡化改造集成應用需求與挑戰，主要體現在：
1) 工業互聯網云網一體化中存在端局網絡僵化、網絡封閉、業務類型單一、擴展性差等問題；
2) 工業互聯網數據中心網絡存在著丟包多、時延不穩定、吞吐量損失大等問題；
3) 工業互聯網智能運維中存在故障定位與預測問題、網絡流量優化問題；
4) 工業生產領域中面臨著工業設備分布情況不可知、運行狀態沒有統一管理、無法獲知設備運行效率、設備故障靠人工事后上報、很難遠程進行調試和升級等問題。
鑒于現有網絡中存在的上述問題，工業用戶在云網一體化、數據中心網絡、智能運維、生產領域、集中管理、混合云組網、低時延傳輸等方面存在迫切需求?；赟DN/NFV架構的工業互聯網網絡，能有效解決工業用戶面臨的難題，加速推動企業信息化轉型。
3 解決方案
3.1 方案介紹
基于SDN技術的工業網絡互聯及協同平臺解決方案主要包含以下:
1）基于最佳路由的低時延跨域互聯技術
基于SR技術，通過網絡操作系統根據需要和實時網絡狀態預先算出最佳轉發路徑，以靈活支持大規模的工業生產平臺的多種需求，滿足工業互聯網對骨干網網絡時延、丟包率、鏈路帶寬等提出的高要求。
2）高可靠網絡智能運維技術
探討基于人工智能的運維技術，對網絡流量、用戶行為和其他參數進行分析與配置，進行主動式的網絡診斷與優化，驅動網絡的智能化運維，滿足工業互聯網對底層網絡系統提出高可靠性的需求。
3）高安全性的工業互聯網絡
針對工業生產整個生命周期對網絡提出的高安全性需求，通過邊緣計算對網絡源頭的數據進行監控和防護，縮小受影響范圍;利用大數據人工智能技術，實現網絡環境全局實時監控、異常網絡行為精準識別、精準智能的路徑控制以及自動化全網策略配置;利用軟件定義服務鏈的技術，支持數據傳輸的高速加密、加密算法統一更新，防止數據中間被截獲，系統更新不及時的風險。
4）基礎架構層動態適配工業應用的需求
利用Qos控制、租戶隔離、邊緣計算、異構計算、多業務協同等多種技術實現基礎架構資源需靈活適配，滿足不同工業應用對底層基礎架構資源的差異性需求，降低建設成本和維護成本。
3.2 系統架構
本解決方案的總體架構如圖4-2所示:
圖4-2 基于SDN技術的工業網絡互聯及協同平臺解決方案總體架構
總體架構分三層：
1）基礎架構層
包括CPE、VPE、端局云、邊緣計算節點、光傳輸鏈路和數據中心。實現網絡、計算和存儲資源的監測、配置。
2）平臺層
在基礎設施層之上提供對信息資源的控制功能，包括數據中心云平臺、工業應用平臺等。
3）應用層
為企業用戶提供工業互聯網應用，包括工業機器人的監測維護、工業大數據業務等服務能力。
3.3 網絡拓撲
基于SDN和Internet技術，為工業外網數據傳輸提供優質、安全、廉價的基礎網絡資源，實現自適應網絡變化、路徑優化、安全傳輸和自服務管理，其網絡拓撲如圖4-3所示。
1）設備支持“即插即用”，上電自動接入“工業專網”，自動注冊到SDN控制器并獲取預配置，自動選擇連接到最佳的POP點，自動配置接入側的QoS策略，實現多地廠區/工業現場互聯。
2）同時可為客戶提供帶寬容量、業務優先級、資費類型和安全加密等資源的自助選擇服務。
圖4-3 基于SDN技術的工業網絡互聯及協同平臺解決方案拓撲
3.4 功能設計
基于SDN技術的工業網絡互聯及協同平臺解決方案主要功能點包括面向工業互聯網的云網一體化邊緣計算、面向工業互聯網的數據中心、面向工業互聯網的網絡智能運維、設備信息采集平臺等部分。
1）面向工業互聯網的云網一體化邊緣計算平臺
為解決端局網絡僵化、網絡封閉、業務類型單一、擴展性差等問題，以SDN/NFV/Openstack等新技術，通過軟件和商用處理器平臺，重構傳統運營商端局接入網絡設備和用戶側網絡設備，解耦租戶網絡和物理網絡，提供更靈活的多租戶環境下管理計算、網絡和存儲資源的手段。以服務定制網絡(SCN)為設計框架，上層業務可感知和驅動下層網絡，擬實現集云網融合、網絡服務和邊緣計算為一體的，多層解耦端局云平臺。平臺采用新型SDN網絡控制體系，并兼容現有IP網絡，可對接Internet、企業專線、CENI等網絡類型。面向云網一體化的邊緣計算平臺如下圖4-4所示。
圖4-4 面向工業互聯網的云網一體化邊緣計算平臺
2）面向工業互聯網的數據中心網絡
面向工業互聯網業務對低時延的性能需求，針對現有數據中心網絡丟包多、時延不穩定、吞吐量損失大等問題，通過形成無丟包、無排隊延時的傳輸控制協議、高吞吐量的流量調度機制、自動故障預測與溯源機制研究多業務識別與區分服務質量保障機制，來達到無丟包損失、無時延損失、無吞吐損失的效果，全方位支持工業互聯網的高性能需求。具體架構如下圖4-5所示。
圖4-5面向工業互聯網的數據中心網絡
3）面向工業互聯網的網絡智能運維
通過SNMP、NetFlow等多種技術手段對網絡中的關鍵數據進行測量與采集。然后，針對故障定位與預測問題，利用長短期記憶神經網絡，形成長短期記憶神經網絡的故障定位與預測機制;針對網絡流量優化問題，利用馬爾科夫模型、增強學習等手段，形成智能流量調度機制;最后，通過互聯平臺智能運維原型系統，并通過小型試驗床和仿真來進行可行性驗證和評估。網絡平臺智能運維如下圖4-6所示。
圖4-6面向工業互聯網的網絡智能運維
3.5 安全及可靠性
該方案改進了傳統網絡管理方式，讓工業用戶精準掌握網絡運行情況，在線定制結構和功能，節省了高額的網絡成本。同時，提供了如下方法保障方案的安全性及可靠性，以防患于未然。
1）豐富的網絡安全策略
網關設備同時支持防火墻、DDoS、IDS/IPS、UTM、FW等多種網絡安全功能，所有功能均可通過集中管理平臺統一配置。
2）軟件可靠性
硬件網關支持虛擬機高可用技術。一臺SD-WAN網關里安裝兩套VM，每套VM都具備完整的業務功能(VPN、UTM、NAT等)。當主用VM出現故障，網關自動切換到備用VM，實現軟件層面的可靠性保護。解決方案亮點
3.6 開展基于SDN技術的工業網絡互聯及協同平臺意義
? 在服務國家戰略方面:網絡技術產業與工業互聯網的結合是建設網絡強國的首要、核心任務，工業網絡互聯技術為制造業的自主創新、技術產品的超前發展、技術路線的探索與引領、民族產業的跨越發展提供了基礎設施。
? 在滿足產業發展新需求方面:利用基于SDN技術的工業網絡互聯技術，構建支持跨域互聯、協同制造、靈活管控的跨城市工業互聯示范網絡，提供面向行業專業的PaaS云平臺服務和全方位的SaaS軟件應用服務，其相關技術成果將能夠支撐互聯網公司以及大中小型企業等客戶對計算、存儲、帶寬、實時性、安全性等提出的新需求，從而將有助于支撐工業互聯網的發展以及制造產業的發展，匯聚終端用戶、企業等產業生態各方，有利于以企業為核心的自主產業生態系統的逐步構建和快速壯大。
? 在人才培養與創新體制機制方面:涉及到SDN/NFV、邊緣計算、數據中心、網絡人工智能等眾多未來網絡關鍵技術，研究過程中將促進研究人員與工程技術人員對未來網絡相關技術有著深刻的理解，從而有助于我國在未來網絡領域的人才培養，推動我國未來網絡學科的發展。同時，參與該項目的單位包括高等院校、科研院所、企業等，在項目研究過程中，將極大地促進各方人員的協同與成果交流，從而有助于產學研貫通，為科研的體制機制創新提供借鑒意義。
4 成功案例
某某集團公司通過部署基于SDN技術的工業專網確保數據安全不丟失、多種訪問模式滿足廠家、客戶、維保單位對平臺訪問要求。
工業專網設計圖
聲明
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