01

工業網絡需求

工業互聯網中的整個生產經營流程大體可分為研發設計、生產制造、物流倉儲、運維服務等場景【1】。工業網絡的概念已經從Zui初的工業控制網絡延伸到包含工業控制網絡（OT）、工業信息網絡（IT）以及工業物聯網在內的網絡全集。工業網絡主要應用可以體現在運動/過程控制、監控及測量、機器視覺、數字孿生、精準定位，預測性維護等6個典型場景中，由于liuliang特征的差異，不同場景對于確定性網絡的能力要求不盡相同。表1從帶寬、時延、抖動、丟包、時間同步等網絡關鍵性能指標分析了上述場景對于工業網絡的確定性需求。

表1 典型工業業務網絡需求表

工業控制網絡（OT）主要連接工業現場設備，需要同時具備實時通信和非實時通信能力，對網絡傳輸確定性要求極高，其liuliang具有報文長度小、周期性信號（測量、控制及監控）與非周期性信號（告警、程序上下載）共存、有限時間響應、較為固定的信息流向以及信息保序要求等特點。工業信息網絡則與互聯網liuliang特征相近，而工業互聯網新業務（如OT/IT融合）的liuliang則兼具二者特點。可以看出新型工業網絡將是一張業務種類多樣、liuliang模型復雜的網絡，其確定性不僅僅是某一類liuliang的確定性的實現，更要考慮在共網傳輸的情況下如何差異化保證各類業務的傳輸承載質量。因此，確定性工業網絡需要解決時延控制、資源調配、跨域互通等3方面問題。

1.1  時延控制問題

端到端時延是確定性網絡Zui關鍵的指標，所謂確定性就是要確定時延上限，甚至是抖動上限。確定性網絡更專注于時延Zui大值不大于閾值，消除統計分布的長尾，如圖1所示。

圖1 網絡時延采樣分布示意圖

確定性工業網絡的端到端時延主要由轉發時延、協議時延、排隊時延以及物理時延組成。轉發時延主要由轉發設備的轉發流程決定（如存儲轉發查表）。協議時延主要由承載網絡協議決定（如TCP等擁塞控制協議丟包重傳導致的時延）。排隊時延則是由liuliang擁塞導致。物理時延則是與傳輸距離及介質相關【2】。

端到端時延的控制需要基于對于各類時延的聯合控制，可以通過優化分組轉發流程，減少轉發時延；通過傳送協議創新，減少協議時延；通過更優的liuliang工程方法緩解甚至避免擁塞，減少排隊時延；通過聯合部署邊緣計算節點等方式，控制物理時延。除了物理時延以外，轉發時延、協議時延及排隊時延都是在網絡節點內部產生。

1.2  資源調配問題

工業互聯網時代網絡作為基礎設施，需要根據不同業務承載質量要求靈活選擇確定性承載技術并進行精準資源匹配，差異化保證不同業務的承載傳輸質量也是確定性網絡的一個重要指標。這需要網絡架構支持模塊化的資源分配及插卡式的服務提供方式，支持選擇合理的網絡資源及傳送路徑，實現傳輸跳數及距離的Zui優化。

1.3  跨域互通問題

新型的工業網絡將是工業控制網絡、工業信息網絡及工業物聯網絡的集成，要實現源宿系統端到端確定性傳輸，異構網絡的跨域協同問題同樣不容小覷，工業互聯網網絡系統需要建立網絡指標及參數的映射規則及異構網絡的協同機制，才可以不受源宿系統部署位置的限制，在工業互聯網全域實現全業務端到端確定性保證。

02

工業網絡架構

2.1  確定工業網絡業務架構

確定性工業網絡要通過構建網絡的確定性能力向應用提供差異化的端到端確定性服務保證，本文提出的確定性工業網絡的業務架構如圖2所示。

圖2 確定性工業網絡業務架構

確定性的工業網絡涉及的網絡域可以分為工廠內網、工廠外網以及互聯網/其他3個大類。

工廠內網主要指工業現場的生產網絡（OT）以及信息網絡（IT），傳統的生產網絡以工業控制網絡為主，由工業總線及以太網技術實現，可以滿足控制系統信號的傳輸確定性；信息網絡則主要以工廠信息系統及辦公網絡為主，OT網絡與IT網絡彼此隔離的現狀已經無法滿足產業數字化，工業互聯網大趨勢下多種業務彼此協同、共網傳輸的差異化的質量保證需求【3】。在此背景下，工廠內網需要既關注控制網絡的確定性，又要具備多種業務共網傳輸保障能力。

工廠外網主要指企業分支間互聯、企業與上下游合作互聯所涉及的網絡，主要可以分為園區網絡和運營商網絡2種運營模式。園區網絡是指以實現園區企業設備互聯和信息互通的網絡基礎設施，由園區到廠區、由管理到生產的綜合性基礎網絡體系。運營商網絡部分則通常采用專線方式，用于連接典型企業分支機構、異地工廠及數據中心等。由于業務上云，視頻會議、遠程控制、預測性維護等新型工業互聯網業務的出現，確定性的工廠外網也應具備多種業務共網傳輸保障能力。

互聯網及其他涉及網絡主要對標消費互聯網的相關業務，如供應鏈、銷售所涉及的網頁訪問、電子商務等，對于確定性要求相對較低。

2.2  確定性工業網絡分域架構

正如上節所述，新型工業網絡往往包含多個局部網絡，大部分業務僅需要在局域網絡中滿足其確定性需要，但由于工業互聯網的蓬勃發展，數據流轉范圍逐步擴大，傳輸路徑跨域的新興業務不斷涌現，比如數字孿生、預測性維護等業務就有大量數據需要從生產現場實時傳送至企業信息網絡或者園區數據中心，也可以通過運營商網絡專線連接到其他分支機構。在這種情況下，網絡系統除了保證局部區域內的網絡確定性，還應該具備保證端到端網絡確定性的協同機制。基于此，確定性工業網絡應兼具域內確定性及跨域協同確定性，避免出現跨域后確定性指標嚴重劣化的情況。

確定性工業網絡要通過構建網絡的確定性能力向應用提供差異化的端到端確定性服務保證，本文提出的確定性工業網絡的分域架構如圖3所示。

圖3 確定性工業網絡分域架構圖

此架構依據安全分區、網絡規模、技術特征等原則對全網劃分區域，在區域內部署集中式區域控制器，負責管理域內網絡節點，學習本域拓撲信息，感知負載，發起及執行跨域通信，域內liuliang配置生成等。

全網需要部署端到端協同控制器，負責維護區域控制器的域級拓撲、全局信息處理、負載均衡和主備倒換決策、跨域liuliang配置生成等。

2.3  確定性工業網絡分層架構

工業領域業務種類繁多，網絡架構需要適應各類業務對網絡的承載需求，并差異化滿足其確定性要求。本文構建了一個通用的確定性工業網絡分層架構，以應對工業領域碎片化的網絡需求，具體如圖4所示。

 圖4 確定性工業網絡分層架構圖

該體系結構基于SDN網絡模型構建了一個開放的、可編程的分層體系結構。此架構分為設備層、控制層、業務層及應用層，控制層、業務層及應用層均應具備可編程性并在一定范圍內實現接口開放。在工業網絡業務類型繁雜，需求碎片化的情況下架構網絡需要承載各類業務，同時要差異化保證各類業務的確定性，架構要兼具通用性和專業性。依據此架構構建的網絡模型，其通用性從上至下遞減，專業性自下而上遞增。簡單而言，設備層被視作通用資源存在，其功能性能需求實際由應用層的服務質量決定。

在業務發放階段，應用層APP與工業應用相對應，感知工業應用服務質量；業務層的場景級協調器則對多類業務的服務質量要求進行整合、翻譯及編排，以場景為單位生成網絡指標模板（時延、抖動、丟包、可靠性、安全性等）；控制層的行業級控制器則負責將網絡指標轉化為對網絡資源的需求（路徑、帶寬、QoS能力、安全分域），并進一步生成配置模板下發給設備層對全網進行實際的設備配置。

03

工業網絡技術

3.1  liuliang調度

分組傳輸網絡通常使用QoS系統來評估服務提供商滿足客戶服務需求的能力，即評估在傳輸過程中能夠支持帶寬、延遲、延遲抖動和丟包率等核心要求的服務能力，采用liuliang調度tigao服務質量保障能力。交通調度通常基于優先級映射，使用交通監控和整形、擁堵管理和避免、liuliang策略等技術。

作為新一代以太網技術，TSN技術被認為是典型的確定性網絡技術之一，因為它符合標準的以太網體系結構，具有準確的liuliang調度能力，能夠保證公共網絡高質量傳輸多業務liuliang，并且具有技術和成本優勢。與分組傳輸網絡的liuliang調度類似，TSN的liuliang調度也是基于上述機制實現的。Zui為典型的特性就是門控和搶占機制。

門控機制是TSN解決幀調度時延的確定性問題的關鍵技術，采用時間感知整形器（TAS）和門控列表(Gate Control Entries，GCEs),通過TAS實現隊列時隙的時分復用，并根據liuliang的周期性、實時性、等時同步性等特征給每個隊列分配時隙，隔離質量要求不同的liuliang【4】。

搶占機制是TSN實現流確定低時延傳輸的關鍵技術，在原有機制基礎上新增加了高速MAC（express MAC, eMAC）和可搶占MAC（preemptable MAC, pMAC），不同優先級liuliang經過決策分別由eMAC和pMAC轉發，eMAC幀有juedui的傳輸優先權，可以打斷pMAC正在轉發的幀，以此來保證eMACliuliang的低時延【5】。

3.2  路徑規劃

liuliang調度技術是報文在單節點實現確定性轉發的基礎技術，但是確定性的路徑也是保證報文端到端網絡確定性的重要因素。無論是基于以太網的TSN還是基于IP的SRv6都建立了顯式路徑規劃技術。該項技術可以基于SDN體系，在數據平面用IS-IS（Intermediate System-to-Intermediate System）、LSP（Path Control and Reservation）等協議執行拓撲發現和路徑計算等基礎功能，而在SDN的集中管理控制平面管理顯式路徑，實現與數據平面IS-IS協議的交互。

選擇Zui短路徑往往可以有效降低業務的鏈路時延，因此在相同約束條件（主要受網絡負載及業務需求影響）的前提下，確定性網絡需要選擇Zui短路徑進行轉發。Zui短路徑優先（Constrained Shortest Path First，CSPF）算法是Zui典型的路徑選擇算法，該算法基于dijkstra在選擇路徑的時候實現了約束的擴展，從而挑選出合適的路徑。

3.3  質量調優

liuliang調度和路徑規劃都是在網絡業務發放階段配置以tisheng業務傳輸的確定性。在業務運行階段，現網狀態的變化可能會導致業務傳輸質量劣化。因此在線實時根據業務質量變化進行網絡資源、配置的調整是實現業務穩定、保證確定性傳輸的關鍵。

SDN控制器通過引入人工智能技術，可以實現網絡liuliang的智能優化【6】，具體如圖5所示。

圖5 SDN融合AI技術示意圖

要構建確定性工業網絡，首先需要明確工業互聯網中的各類業務系統的應用服務質量要求，并進行網絡相關業務需求的提煉，同時進一步量化成為業務質量指標，可以針對一個場景范圍的業務進行質量指標聚類建模，初步構建業務模型。然后根據算法將業務體驗指標向網絡服務質量指標映射，并根據服務質量形成網絡資源配置的約束條件，映射到網絡資源模板，Zui終形成網絡配置下發給網絡。在網絡業務承載運行過程中，還需要實時監測業務系統的運行狀況，采集實時的業務體驗數據，與質量指標進行比較，如果發現體驗數據低于質量指標閾值，則觸發網絡調整機制。相應的網絡系統在線對網絡運行狀態進行監控，如果網絡狀態出現異常或者服務質量低于指標，也將觸發網絡保護倒換或調優機制。

此外，實時獲得的業務體驗質量及網絡服務質量還將用于訓練業務模型、算法模型以及映射算法的參數，使業務體驗對網絡的驅動更精準，網絡可以更jingque地匹配業務系統需求【7】。