工業互聯網“咖”解丨王平：軟件定義的工業融合網絡及高速協議轉換
作者：王平工業互聯網產業聯盟理事、重慶郵電大學自動化學院、工業互聯網學院院長 王恒工業物聯網與網絡化控制教育部重點實驗室副主任
1.工業網絡現狀
1.1工業網絡發展情況
工業網絡是工業互聯網部署和運行的基石。根據網絡所處位置的不同，工業網絡劃分為工廠內網絡和工廠外網絡。工廠內網絡可進一步分為工業骨干網和工業現場網絡。工業骨干網連接不同車間或廠區，實現車間級互連；工業現場網絡則是典型的OT（操作技術）網絡，連接工控設備，完成工業生產控制任務。經過多年的發展，工業現場網絡形成了現場總線、工業以太網和工業無線網絡等多種類型。典型的現場總線協議有Modbus RTU、Profibus、HART等；工業以太網的代表性協議有Profinet、Ethernet/IP、Modbus TCP、EtherCAT、Powerlink、EPA等；WIA-PA、WirelessHART、ISA100.11a則是主流的三種工業無線網絡標準。近年來，現場總線的市場份額逐漸被工業以太網占據，工業以太網和工業無線網絡的應用越來越廣泛。
1.2當前工業網絡存在的問題
OT網絡的一個顯著特點是種類繁多，開放性差，僅進入IEC國際標準的現場總線與工業以太網種類就達數十種。大部分標準自成體系，圍繞網絡協議形成一個個封閉的軟硬件系統。不同網絡接口的設備互聯互通困難。
工業互聯網和智能制造要求對生產過程精確管控，底層物聯網到互聯網需要無縫集成。但傳統控制網絡采用分層的系統結構，造成信息獲取、控制、調度和管理方面集成度差、協同能力弱的局限，難以滿足工業互聯網和智能制造對底層物聯網到互聯網無縫融合與集成的要求。
此外，現有的OT網絡無法有效適應邊緣計算等新型計算模式的需求。一些企業的ERP等系統已經能夠部署在云端，但如何對邊緣控制器、邊緣服務器等新型計算設備和邊云協同等新模式進行網絡適配，成為重要瓶頸問題。同時，現有網絡不夠智能，也缺乏高效的異構網絡組網與管控方法，軟件定義網絡（SDN）、人工智能等IT新技術尚未有效的擴展到OT網絡中。
因此，有必要打破傳統控制網絡分層結構，建立IT/OT深度融合的新型工業融合網絡，實現工業異構網絡之間的開放互連與信息互通，滿足工業互聯網對網絡的靈活需求。
2.IT/OT融合網絡架構
為了突破傳統OT網絡與IT網絡相互隔離的局限，引入邊緣計算、SDN等新一代信息技術，構建扁平化、智能化、開放互連的IT/OT融合網絡結構。在網絡組成上，融合網絡可分為邊緣網絡/邊緣云、工業骨干網和工業云等三個部分，全網由SDN管理器進行統一管控。網絡中所有實體都能夠建立和維持對等的通信關系，IT數據與OT數據共網傳輸，靈活流動。
整個網絡采用全IP化結構，設計以OPC UA應用層信息交互、IPv6網絡層統一編址和TSN鏈路層交換為基礎的開放互連協議體系，解決融合網絡協議層面的互連互通問題。
在SDN集中管控結構的支撐下，設計融合網絡智能組網機制和面向工業應用的智能流量預測機制，發揮人工智能在融合網絡管理和優化方面的優勢，提升網絡的智能化水平。
3工業軟件定義融合網絡
3.1SDN在互聯網中的發展和應用
SDN是一種邏輯集中控制的新型網絡架構，網絡的管理和狀態集中到控制器。突破了傳統網絡設備的封閉性，將控制層和數據轉發層相互分離，使網絡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交換機廠商主要有華為、思科、新華三、盛科、戴爾等公司。SDN的標準化主要由ONF、IETF和ETSI等組織機構推動。SDN在互聯網中被廣泛應用于數據中心和廣域網中，有力提升了網絡的管控能力。
3.2SDN在工業網絡中的發展和應用
SDN能夠動態靈活的管理異構網絡，相比于傳統的網絡構架，SDN網絡構架能夠支持獲得網絡資源的全局信息，并隨時根據用戶業務的需要進行資源的全局調配和優化。工業融合網絡是典型的異構網絡，且需要對資源進行細粒度調配，因此，SDN是IT/OT工業融合網絡管控的優選手段。
基于SDN的工業網絡架構可分為應用層、融合管理層和現場層，將現場層的管理控制功能抽象集成到融合管理層的工業SDN管理器中，集中處理和統一分配工業網絡資源。
應用層由不同的工業應用組成，是SDN北向接口的實際調用者，負責北向接口內容的解析和構造。融合管理層主要完成現場網絡和骨干網的集成管理，包括骨干網和工業現場網絡的入網、網絡資源分配以及跨網配置等工作。現場層由不同的網絡基礎設施組成，可以完成協議轉換和現場數據采集和控制任務。
工業SDN的典型應用包括多協議融合組網、跨網絡調度等。為了支持上述功能的實施，還需設計針對工業網絡特性改進的北向接口和東西向接口。
在多協議融合組網方面，我們提出了基于SDN的工業異構網絡融合組網機制，將工業現場網絡與工業骨干網的組網功能進行抽象集成，通過設計協同入網流程，實現不同傳輸介質、不同協議類型的異構工業網絡的統一入網。
在跨網絡調度方面，我們提出了基于SDN和IPv6技術的跨網絡遠程確定性傳輸解決方案，包括現場網絡/回程網絡聯合調度框架和聯合調度方法，解決了工業融合網絡在不同測控需求下的確定性傳輸問題，提高了網絡的資源利用率和運行效率。
在工業SDN北向接口與東西向接口設計方面，我們設計了體現工業應用特征的SDN北向接口，包括功能型接口和意圖型接口，通過統一編排異構網絡通信資源，實現融合管理功能向應用層的開放。我們還提出了面向工業網絡的SDN東西向接口，實現了多控制器之間的有效調度協調。
在設備研發方面，我們開發了工業SDN交換機，研制了基于開源平臺的工業SDN控制器軟件，為異構網絡融合管理與調度功能提供完整的軟硬件支持。
4.高速異構協議轉換
4.1異構協議轉換面臨的挑戰
在工業融合網絡中，現場網絡與IPv6骨干網之間的協議轉換必不可少。協議轉換的類型主要包括：工業無線網絡與IPv6骨干網之間的協議轉換、工業實時以太網與IPv6骨干網之間的協議轉換。協議轉換功能可采用專用的協議轉換裝置實現，也可以合并部署在位于網絡邊界的SDN交換機上。
為了降低跨網絡端到端的傳輸時延，如何實現高速的協議轉換，成為異構網絡面臨的重要問題。同時，如何有效的保持轉換前后工業數據流的服務質量，是協議轉換面臨的另外一個重要問題。
4.2協議轉換方案及裝置
針對工業無線與有線網絡協議的快速轉換問題，我們選擇WIA-PA、WirelessHART、6LoWPAN等工業無線協議，設計了工業無線與IPv6有線網絡協議之間的快速轉換方法；采用基于應用層網關的轉換機制，實現工業無線網絡協議各層次的整體轉換。
針對工業以太網協議與IPv6協議的轉換問題，我們提出了Ethernet/IP、EtherCAT、Profinet、Powerlink等典型工業以太網協議與IPv6協議之間的轉換方法，實現了基于應用層服務質量（QoS）的協議轉換。
我們還研制了工業異構網絡高速協議轉換裝置，支持多種工業無線協議和工業以太網協議，實現了微秒級高速協議轉換，解決工業異構網絡協議轉換造成的時延瓶頸問題。
5.展望
團隊堅持“數據為核心、連接為基礎、安全為保障、平臺為支撐、應用為王道”的工業互聯網發展思路，在時間敏感網絡與軟件定義工業控制、邊緣智能網關與異構網絡交換機、基于IPv6和OPC UA的工業異構網絡集成、工控網絡安全深度防御與態勢感知等方面取得大量成果的基礎上，重點推進人工智能與工業互聯網的深度融合，將AI驅動的軟件定義工業融合網絡、基于5G-U的工業融合網絡等作為主要研究方向，進一步提高工業網絡的傳輸性能和智能化水平。
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