為了適應工廠數字化、網絡化、智能化的業務發展需求，海爾擬在新建工業園區網絡中引入TSN、IPv6、SDN等新型網絡技術，構建一張靈活定義、多維可視、質量保障、安全可靠的園區網絡，實現工業場景下人員、設備、物料、產品各生產要素的互聯，為工廠實現智能生產、協同制造和柔性制造提供網絡支撐，為M2M、安全巡檢、設備監測、視頻監控等業務應用提供支撐，并形成針對典型工業場景化園區網絡的基線標準。
一、關鍵詞
SDN控制器 ，TSN網絡
二、發起公司和主要聯系人聯系方式
海爾集團 張濤 13385320088
新華三技術有限公司 鞏飛 13210037171
三、合作公司
該測試床由以下參與方共同建設：
海爾集團
新華三技術有限公司
四、測試床項目目標和概述
該測試床適用于制造業工廠內網絡的建設和升級改造，建成后的網絡能夠滿足海爾柔性制造、協同生產、個性化定制的業務需求。
測試床的主要測試目標包括：
1. 基于SDN技術部署工廠有線無線網絡，SDN控制器北向對接COSMO平臺的功能組件，南向對網絡的spine、leaf節點進行管理，實現網絡設備自動配置和業務快速部署，提升IT人員工作效率，減少人力投入。
2. 通過SDN控制器納管產線部署的TSN交換機，構建TSN網絡的流量模型，滿足產線指令信息確定性、低時延的傳輸要求。
五、測試床解決方案架構
（一）測試床應用場景
本次測試床部署在海爾新建工廠內，測試床擬選取工廠的部分產線部署TSN網絡，產線TSN交換機通過千兆/萬兆鏈路上行接入匯聚/核心交換機，構成整個廠區有線網絡。工廠廠區弱電機房部署SDN控制器和相關安全設備。
（二）測試床重點技術
交換機通過802.11AS協議保證全網時鐘的精度同步，在測試床驗收測試環節將測試全網TSN交換機的時鐘精度。
在全網設備的時鐘同步后，交換機通過802.1Qbv、802.1Qbu協議對特定信息流預留帶寬資源并提供優先保證。
整個廠區采用SDN方案組Vxlan大二層網絡，TSN交換機作為SDN方案中的access節點被控制器統一納管，方便了廠區IT人員的運維，實現了對廠區各種IP終端（攝像頭、打印機）的接入管理和流量監控。
（三）技術創新性及先進性
本次測試床主要是在三個方面進行探索：
TSN交換機如何經濟有效地部署在廠區網絡中。因為TSN交換機的芯片成本較高，所以從成本考慮不建議核心、匯聚交換機都要支持TSN相關協議。那么如何在組網層面進行設計，兼顧生產需求和部署成本，就是測試床創新的第一個方面。
廠區物聯終端全生命周期的管理。廠區當中存在多種IP終端，包括PC、Pad、攝像頭、掃碼槍，AGV小車等等。測試床網絡方案中支持通過SDN控制器中的自動分揀引擎ASE來識別物聯終端類型（識別方式主要通過Mac OUI字段、DHCP報文、HTTP報文），識別終端類型后自動下發對應的網絡策略。同時，通過終端探測系統EPS，實現對接入網絡終端的安全掃描和精細監控。
TSN交換機納入整個廠區SDN組網方案中，這在國內屬于先行探索階段，我們也會定期反饋實施過程中遇到的技術問題。
（四）測試床解決方案架構
上圖是海爾新建工廠網絡的整體部署架構，測試床的重點在上圖左下角的產線TSN交換機環網上，根據產線信息點的點位情況，TSN交換機的數量、布放位置、組網會有微調。
在廠區建設一個小型弱電機房，除了部署海爾自有的Cosmo-MES、Cosmo-SCADA等軟件外，部署SDN控制器軟件，SDN組網方案選擇EVPN+VxLAN的方式，核心交換機和匯聚交換機應支持VxLAN特性。同時為了滿足廠區大量IP終端的管理需要，部署相應的終端管理軟件。
六、預期成果
（一）測試床的預期測試結果，針對測試項
1. 全網TSN交換機的時鐘同步精度預期保持在200ns內，全網TSN交換機網絡的端到端時延（最大7跳）小于1ms。
2．通過SDN控制器，能夠實現全網網絡設備的統一納管，支持一鍵下發相關配置，減輕運維工作量。同時SDN控制器和終端管理軟件能夠實現對廠區各類IP終端的類型識別，配置自動下發和精細監控。
3. 通過SDN控制器，對工廠網絡資源進行集中管控，從全局的視角進行資源調度，靈活、合理地為不同網絡需求的業務進行智能選路。同時根據網絡的運行狀況和流量變化，對網絡路徑進行動態調整，持續優化網絡流量分布，在提高網絡利用率的同時保障時間敏感應用的實時性需求，實現實時數據與非實時數據在同一網絡中傳輸。
（二）商業價值
1.為產線工作人員提供一套低時延、高可靠的網絡，整網可靠性達到99.995%，產線接入環網端到端時延（最大7跳）小于1ms。
2.為工廠IT運維人員提供一套能夠快速部署和易運維的柔性網絡，整網部署時間大大縮短，同時產線網絡可以根據產線生產設備的位置變動針對場景的無線需求（PDA、AGV小車或是工廠不適合部有線網絡的區域），提供高效的無線覆蓋，移動漫游時間縮短到30ms內。
3.為海爾Cosmoplat平臺提供開發的Restful API接口，使得Cosmoplat的多個軟件組件可以快速對接SDN控制器，為應用驅動網絡奠定基礎。
（三）經濟效益
基于SDN的柔性網絡迎合了海爾大規模定制化的需要，使得工廠整定制化訂單交付周期大大縮短。整網時延、可靠性等各項性能得到進一步提升，將IT運維人員從重復工作中剝離出來，提升IT運維人員的工作效率，減少部署或排除故障的時間。
（四）社會價值
目前國內TSN網絡在產線的部署才剛開始，需要有比較好的最佳實踐作為其他工廠的建設參考。本次測試床的價值就是探索一套性價比高的部署方案，為TSN網絡在國內大規模部署提供實踐依據。
七、測試床技術可行性
海爾負責提供產線測試環境和產線生產設備，H3C負責提供網絡設備和相關的SDN控制器、終端管理軟件。整個測試床方案所用到的產品已基本研發完成，測試環境已具備，整個測試床實施可行性較高。
物理平臺
序列 | 設備名稱 | 設備用途 |
1 | 服務器 | 承載COSMO平臺對應的MES、SCADA、WMS等軟件，同時部署SDN控制器軟件、終端控制軟件。 |
2 | TSN交換機 | 部署于產線信息點附近的電器柜或機柜中，以兆鏈路組環網 |
3 | 核心/匯聚交換機 | 部署于廠區機房 |
3 | 防火墻 | 部署于廠區機房 |
軟件平臺
序列 | 設備名稱 | 設備用途 |
1 | SDN控制器 | 部署于廠區機房服務器中，實現對全網設備的管理運維。 |
2 | 終端管理軟件 | 部署于廠區機房服務器中，負責對廠區IP物聯終端進行管理 |
3 | 工業軟件 | COSMOPlat-MES 、COSMOPlat-SCADA、COSMOPlat-WMS等等 |
八、和AII技術的關系
（一）與AII總體架構的關系
該測試床遵循AII發布的工業互聯網體系架構，在海爾工廠智能工廠內網絡的建設符合數字化工廠網絡需求。測試平臺將在網絡框架的建設過程中提供反饋，以報告的形式分享經驗。
（二）與已存在AII測試床的關系
該測試床項目與之前已經審批的測試床無任何關聯。
九、交付件
測試床的交付件包括：
測試床項目計劃書
測試床部署實施方案
測試用例清單
測試床結題報告
十、測試床使用者
該測試床是海爾集團基于新建工廠的SDN+TSN工廠網絡部署實踐，利用TSN、SDN、IPv6等新興技術，支撐海爾大規模定制的柔性制造需求。第三方的企業與用戶如需參觀訪問該測試床，可向海爾集團提出書面申請，海爾集團將在保障工廠安全生產與不影響自身業務的前提下，酌情接洽，開展訪問、交流事宜。
十一、知識產權說明
該測試床由海爾集團和新華三技術有限公司設計、建設、運營，其過程中產生的開發成果及其知識產權，包括但不限于專利申請權、專利權、版權、商業秘密，均歸海爾集團和新華三技術有限公司所有。
十二、部署，操作和訪問使用
測試床部署方案如下：
產線接入層，根據現場信息點的點位部署工業TSN交換機，擬部署7臺以上TSN交換機，根據現場位置組環網。TSN交換機萬兆上行至生產匯聚交換機。
安全方面，在核心交換機與生產匯聚交換機間部署一對防火墻，保護生產區域，同時將服務器區設置為防火墻DMZ區。
軟件層面，增加SDN管理軟件，對工廠網絡設備進行統一監控和管理；增加無線管理組件，對整網無線進行統一管理；增加終端管理組件，對生產網IP終端進行接入認證。
十三、資金
本測試床項目所需資金約200萬元，由海爾集團自行籌措并展開建設。
十四、時間軸
2020年1月，在海爾試點完成測試基礎網絡環境搭建，并部署SDN管理軟件。
2020年3月，完成測試用例設計，測試用例包括網絡性能測試、與Cosmoplat平臺對接測試、功能性測試等方面。
2020年6月，按用例要求進行第一階段測試，測試內容主要包括TSN網絡的傳輸時延，與SDN控制器的對接情況。
2020年11月，進行第二階段測試，主要測試內容是基于SDN控制器實現全網的流量調度，以保證工業指令的確定性傳輸。
十五、附加信息
該測試床以海爾新建工廠為基礎進行實踐，可滿足多行業智能工廠需求，適用于制造業工廠內網絡的建設和升級改造。
聲明
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