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凤凰彩票丨王平:软件定义的工业融合网络及高速协议转

时间:2021-05-18 15:49  来源:工业互联网产业联盟  作者:胶州信息化协会   点击:

作者:
王平
工业互联网产业联盟理事、重庆邮电大学自动化学院、工业互联网学院院长  
王恒
工业物联网与网络化控制教育部重点实验室副主任  

1.

工业网络现状

1.1

工业网络发展情况

工业网络是工业互联网部署和运行的基石。根据网络所处位置的不同,工业网络划分为工厂内网络和工厂外网络。工厂内网络可进一步分为工业骨干网和工业现场网络。工业骨干网连接不同车间或厂区,实现车间级互连;工业现场网络则是典型的OT(操作技术)网络,连接工控设备,完成工业生产控制任务。经过多年的发展,工业现场网络形成了现场总线、工业以太网和工业无线网络等多种类型。典型的现场总线协议有Modbus RTU、Profibus、HART等;工业以太网的代表性协议有Profinet、Ethernet/IP、Modbus TCP、EtherCAT、Powerlink、EPA等;WIA-PA、WirelessHART、ISA100.11a则是主流的三种工业无线网络标准。近年来,现场总线的市场份额逐渐被工业以太网占据,工业以太网和工业无线网络的应用越来越广泛。

1.2

当前工业网络存在的问题

OT网络的一个显著特点是种类繁多,开放性差,仅进入IEC国际标准的现场总线与工业以太网种类就达数十种。大部分标准自成体系,围绕网络协议形成一个个封闭的软硬件系统。不同网络接口的设备互联互通困难。

工业互联网和智能制造要求对生产过程精确管控,底层物联网到互联网需要无缝集成。但传统控制网络采用分层的系统结构,造成信息获取、控制、调度和管理方面集成度差、协同能力弱的局限,难以满足工业互联网和智能制造对底层物联网到互联网无缝融合与集成的要求。

此外,现有的OT网络无法有效适应边缘计算等新型计算模式的需求。一些企业的ERP等系统已经能够部署在云端,但如何对边缘控制器、边缘服务器等新型计算设备和边云协同等新模式进行网络适配,成为重要瓶颈问题。同时,现有网络不够智能,也缺乏高效的异构网络组网与管控方法,软件定义网络(SDN)、人工智能等IT新技术尚未有效的扩展到OT网络中。

因此,有必要打破传统控制网络分层结构,建立IT/OT深度融合的新型工业融合网络,实现工业异构网络之间的开放互连与信息互通,满足工业互联网对网络的灵活需求。

2.

IT/OT融合网络架构

为了突破传统OT网络与IT网络相互隔离的局限,引入边缘计算、SDN等新一代信息技术,构建扁平化、智能化、开放互连的IT/OT融合网络结构。在网络组成上,融合网络可分为边缘网络/边缘云、工业骨干网和工业云等三个部分,全网由SDN管理器进行统一管控。网络中所有实体都能够建立和维持对等的通信关系,IT数据与OT数据共网传输,灵活流动。

整个网络采用全IP化结构,设计以OPC UA应用层信息交互、IPv6网络层统一编址和TSN链路层交换为基础的开放互连协议体系,解决融合网络协议层面的互连互通问题。



在SDN集中管控结构的支撑下,设计融合网络智能组网机制和面向工业应用的智能流量预测机制,发挥人工智能在融合网络管理和优化方面的优势,提升网络的智能化水平。

3

工业软件定义融合网络

3.1

SDN在互联网中的发展和应用

SDN是一种逻辑集中控制的新型网络架构,网络的管理和状态集中到控制器。突破了传统网络设备的封闭性,将控制层和数据转发层相互分离,使网络具备良好的可编程能力。

代表性的SDN控制器包括Open DayLight、ONOS、RYU、Floodlight等;SDN交换机厂商主要有华为、思科、新华三、盛科、戴尔等公司。SDN的标准化主要由ONF、IETF和ETSI等组织机构推动。SDN在互联网中被广泛应用于数据中心和广域网中,有力提升了网络的管控能力。

3.2

SDN在工业网络中的发展和应用

SDN能够动态灵活的管理异构网络,相比于传统的网络构架,SDN网络构架能够支持获得网络资源的全局信息,并随时根据用户业务的需要进行资源的全局调配和优化。工业融合网络是典型的异构网络,且需要对资源进行细粒度调配,因此,SDN是IT/OT工业融合网络管控的优选手段。

基于SDN的工业网络架构可分为应用层、融合管理层和现场层,将现场层的管理控制功能抽象集成到融合管理层的工业SDN管理器中,集中处理和统一分配工业网络资源。

应用层由不同的工业应用组成,是SDN北向接口的实际调用者,负责北向接口内容的解析和构造。融合管理层主要完成现场网络和骨干网的集成管理,包括骨干网和工业现场网络的入网、网络资源分配以及跨网配置等工作。现场层由不同的网络基础设施组成,可以完成协议转换和现场数据采集和控制任务。

工业SDN的典型应用包括多协议融合组网、跨网络调度等。为了支持上述功能的实施,还需设计针对工业网络特性改进的北向接口和东西向接口。

在多协议融合组网方面,我们提出了基于SDN的工业异构网络融合组网机制,将工业现场网络与工业骨干网的组网功能进行抽象集成,通过设计协同入网流程,实现不同传输介质、不同协议类型的异构工业网络的统一入网。

在跨网络调度方面,我们提出了基于SDN和IPv6技术的跨网络远程确定性传输解决方案,包括现场网络/回程网络联合调度框架和联合调度方法,解决了工业融合网络在不同测控需求下的确定性传输问题,提高了网络的资源利用率和运行效率。

在工业SDN北向接口与东西向接口设计方面,我们设计了体现工业应用特征的SDN北向接口,包括功能型接口和意图型接口,通过统一编排异构网络通信资源,实现融合管理功能向应用层的开放。我们还提出了面向工业网络的SDN东西向接口,实现了多控制器之间的有效调度协调。

在设备研发方面,我们开发了工业SDN交换机,研制了基于开源平台的工业SDN控制器软件,为异构网络融合管理与调度功能提供完整的软硬件支持。

4.

高速异构协议转换

4.1

异构协议转换面临的挑战

在工业融合网络中,现场网络与IPv6骨干网之间的协议转换必不可少。协议转换的类型主要包括:工业无线网络与IPv6骨干网之间的协议转换、工业实时以太网与IPv6骨干网之间的协议转换。协议转换功能可采用专用的协议转换装置实现,也可以合并部署在位于网络边界的SDN交换机上。

为了降低跨网络端到端的传输时延,如何实现高速的协议转换,成为异构网络面临的重要问题。同时,如何有效的保持转换前后工业数据流的服务质量,是协议转换面临的另外一个重要问题。

4.2

协议转换方案及装置

针对工业无线与有线网络协议的快速转换问题,我们选择WIA-PA、WirelessHART、6LoWPAN等工业无线协议,设计了工业无线与IPv6有线网络协议之间的快速转换方法;采用基于应用层网关的转换机制,实现工业无线网络协议各层次的整体转换。

针对工业以太网协议与IPv6协议的转换问题,我们提出了Ethernet/IP、EtherCAT、Profinet、Powerlink等典型工业以太网协议与IPv6协议之间的转换方法,实现了基于应用层服务质量(QoS)的协议转换。

我们还研制了工业异构网络高速协议转换装置,支持多种工业无线协议和工业以太网协议,实现了微秒级高速协议转换,解决工业异构网络协议转换造成的时延瓶颈问题。

5.

展望

团队坚持“数据为核心、连接为基础、安全为保障、平台为支撑、应用为王道”的工业互联网发展思路,在时间敏感网络与软件定义工业控制、边缘智能网关与异构网络交换机、基于IPv6和OPC UA的工业异构网络集成、工控网络安全深度防御与态势感知等方面取得大量成果的基础上,重点推进人工智能与工业互联网的深度融合,将AI驱动的软件定义工业融合网络、基于5G-U的工业融合网络等作为主要研究方向,进一步提高工业网络的传输性能和智能化水平。


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