关于工业互联网内外网应用技术的考虑

3月17日，首届“2021算网融合产业发展论坛”在北京如期召开，中国信息通信研究院标准所教授级高工段世惠发表了题为《关于工业互联网内外网应用技术的考虑》的主题演讲。

▲中国信息通信研究院标准所教授级高工 段世惠

(一)工业互联网发展概述

在经历了机械化、电气化、自动化的转型发展之后，全球的工业制造正在经历新一轮的变革——数字化、网络化、智能化。段世惠表示，“我国错过了第一、第二次工业革命，赶上了第三次工业革命的末尾，成为了工业经济大国，但还不是强国。”

工业互联网是第四次工业革命的重要基石，提倡“现代工业”和“新一代信息通信技术”的深度融合，为实现数字化、网络化、智能化提供了现实路径。工业互联网通过实现人、机、物等的全面互联，构建起全要素、全产业链、全价值链、全面连接的新型工业生产制造和服务体系。

2017年11月27日，国务院发布了《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》，形成规范和指导我国工业互联网发展的纲领性文件。2018年6月7日，工信部印发《工业互联网行动计划(2018-2020年)》。目前，已完成网络、平台、安全三大体系的政策布局。

上海、广东、浙江、江苏、四川等近30个省、自治区、直辖市已出台或即将出台本地区的发展政策，各地结合自身产业实践，叠加优势企业资源，探索形成特色发展路径，集群化发展效应也在逐步显现。央地协同，上下联动，“全国一盘棋”的发展格局已形成。

经过三年起步期的发展，我国工业互联网步入实践深耕阶段。产业发展环境持续优化、基础设施加速推进、融合应用走深向实，产业规模持续增长，对经济社会的发展的带动效应显著增强，形成战略引领、规划指导、政策支持、技术创新、产业推进良性互动的局面。

在网络建设方面，高质量外网已覆盖全国374个地级行政区，接入企业超12万家，覆盖率达89.7%。在平台体系方面，我国初步构建起涵盖研发创新、生产制造、运维管理、产业资源整合等的多层次平台发展体系。在安全建设方面，国家级工业互联网安全态势感知平台覆盖面积不断扩大，对接21个省级平台，覆盖9万家工业企业。

在工业互联网体系架构2.0里，网络功能是基础。基于信息模型的互通互操作成为支撑多源异构数据流转集成的核心;多方式、多QoS、智能化的网络互联是实现融合泛在互联的关键;“标识-解析-数据-应用”构成标识功能分层，实现“跨企业-跨行业-跨国家”标识数据管理和共享。

段世惠认为，“在工业互联网体系架构2.0的实施阶段，可以分为产业层、企业层、边缘层。”在边缘层，以工业以太网为主，TSN等新网络打破众多协议制式间的技术壁垒;在企业层，采用高速以太网及TCP/IP，IT网络与OT网络逐步融合;在产业层，工业外网络目前仍基于普通互联网与高质量专线部署为主。

(二)工业互联网内网发展状况及问题

三级两层的网络架构存在诸多问题，包括：IT、OT技术异构、网络隔离，生产信息截止在车间级，工厂IT系统无法充分获取工厂OT系统数据和信息;OT系统采用预先组态的方式，且主要采用固定网络连接，灵活性不足;OT系统本身结构复杂，网络层级复杂，技术不开放;

传统工业网络要么不能相互兼容，要么不能与标准以太网设备集成，很难满足工业控制系统的实时确定性要求;传统工业以太网缺乏时钟同步机制、带宽预留等管理机制，数据分组优先级等过滤机制，从而无法为应用提供时延和抖动的服务质量(QoS)保障，传统的网络只能将端到端的时延减少到几十毫秒。

工业4.0时代，工厂内网络的需求主要有：

• OT网络的以太网/IP化：用统一的技术体系实现IT到OT的融合和信息系统对生产现场的信息采集;
• 无线技术在工厂内的广泛应用：利用无线技术实现厂内的泛在连接，消除工厂内的“信息死角”;
• 工厂的扁平化组网：减少网络层级，减少不同网络层次间的“信息损失”，实现数据分析与决策的快速反馈;
• 工厂的灵活组网：打破生产过程刚性组织的局限，实现基于定制需求的柔性生产和资源组织。

段世惠表示，“未来的工厂网络可能会越来越少，甚至有可能会集中在一张网上。如果用一张网的技术，能够承载不同业务需求的业务网。现在，大家公认的底层网络就用TSN，它可能是未来十年一统江湖的技术。”

TSN(时间敏感网络)是IEEE 802.1工作组正在研究制定的一系列标准。作为统一工业以太网标准，TSN成为业界共识的工控通信网络向1G接口演进的解决方案;有IEC制定多个工业以太网标准，转变为由IEEE802制定唯一标准;IETF、IEC等多个标准组织基于TSN制定统一标准体系。

同时，TSN改变了原有工业控制网络应用支撑能力差的弱点，实现“网络+控制”向“网络+控制/应用”的转变。但是，TSN也存在着许多应用难题。在国内，CNC/CUC未产品化，还是手工作业，大规模组网暂时不可能;现有存量工业以太网种类繁多，TSN暂时不可能一统天下;虽然业界对TSN的热情很高，但是实际应用很少;现有网络改造不可能一蹴而就。

(三)工业互联网外网发展状况及问题

企业通过IT系统与互联网融合、OT系统与互联网融合、服务与互联网融合、企业专网与互联网融合四个模式上云。企业信息化典型场景对于工厂外网的技术需求，包含工业实体的互联网接入需求，跨区域之间的互联与隔离需求，工业网络与混合云互联的需求，工业互联网对广域承载网络的差异化需求(QoS、安全/保护等)。

为实现网络多租户及用户资源定制能力，基础设施/设备需要支持网络功能虚拟化(NFV)，从设备层面实现资源虚拟化;网络层面需要通过SDN技术理念，实现控制和承载分离;网络控制与编排层面需要支持通过API向用户开放网络能力。为支持海量设备接入(多为无线方式)，需要5G和IPv6的部署。目前看来，5G+基于SDN/NFV的骨干网络是工业互联网的发展方向。

随着智能工厂的发展，各机器之间通过交换彼此的信息，或者使用超级控制器来描绘网络拓扑结构以及各种状态信息。工厂内网需要建立在IP网络之上，并且满足确定性时延和抖动，以及远程控制的要求。

目前的工业控制网络主要局限在局域网的范围，不能满足跨局域网、多实时边缘网络互连的确定性业务传输需求，而传统的MPLS VPN专线与基于OTN的光网专线仅仅能够满足一般性的业务需求。IETE的DetNet工作组目前正在解决这个问题。

DetNet(确定性网络)目标是在第二层桥接和第三层路由段上，实现确定传输路径，这些路径可以提供时延、丢失分组和抖动的最坏情况界限，以此提供确定的时延。与TSN相比，DetNet的工作范围更加广泛，通过MPLS/IP技术，以期实现三层的确定性传输。

(四)5G与TSN融合

2018年底，中央经济工作会议指出，“加快5G商用步伐，加速人工智能、工业互联网、物联网等新型基础设施建设。”2020年2月21日，中央政治局会议强调，要推动5G网络、工业互联网等加快发展;2020年3月4日，中央政治局常委会作出加快新型基础设施建设进度的重要部署;2020年政府工作报告提出，拓展5G应用，发展工业互联网。

“5G+工业互联网”政策体系不断优化完善。截至目前，近20个省市明确对“5G+工业互联网”方向的政策支持，并充分利用现有工业互联网、单项冠军、首台(套)重大技术装备、技术改造、智能制造等资金政策进行支持。

近两年来，工业无线保持30%的高速增长，占据6%的工业网络新增市场。从全球工业网络市场整体发展情况看，目前工业无线的占比正在爬升，将领跑下一代工业网络的爆发式增长。

5G技术低时延、高可靠、大连接的特性，弥补了传统无线技术可靠性、连接范围的不足，将使无线技术由工业网络偶尔的补充，成长为工厂内网重要的组成部分，为工业互联网发展注入新活力。

新中国成立70周年，工业通信业发展情况发布会上，工信部苗圩部长指出：5G真正的应用场景，80%应该是用在物与物的通信，如工业互联网、车联网、远程医疗等领域。

“5G+工业互联网”融合应用从辅助环节向核心生产环节渗透，应用类型从大带宽主导向多类型方向发展。典型的十大应用场景有：工业设计、辅助装配、设备协同、精准操控、视觉检测、数据采集、远程维护、智能物流、无人巡检、安全监控。

5G与TSN融合部署，正在成为产业界关注的焦点。二者的融合模式有三种：无缝衔接(TSN over 5G)，端到端TSN化的5G、承载网融合(5G over TSN)。其中，端到端TSN化的5G是大家公认的模式。

然而，5G与TSN融合部署也面临着重重挑战。时间同步问题，二者同步机制不一样，精度存在差异;工业现场部署环境，TSN规模商业尚需时日;低延时、低抖动，无线侧是实现端到端确定性的关键;终端-终端直接通信，存在场内设备之间的直接通信。

5G TSN的低时延低抖动实现(5G自有技术)：采用延时关键可保障比特速率(Delay Critical GBR)、切片、用户面功能(UPF)下沉分流等技术来降低传输的时延，然后再结合时延敏感通信辅助信息(TSCAI)、保持和转发机制等消除抖动。

5G与TSN系统的时钟同步机制协同。在5G时钟域中，gNB从5G GM获取时钟后，可以将时钟传递给UE和UPF，实现5G系统内的高精度时钟同步。

其中，UE可通过与gNB之间的Uu口的RRC消息实现时钟同步，UPF通常可采用IEEE 1588规范实现与gNB之间的时间同步;在TSN时钟域中，TSN时钟域内网元同步于TSN GM，并基于IEEE 802.1AS规范来实现域内的时间同步。

5G LAN技术首次在移动网络中引入终端组管理的概念，支持组内终端直接通信。在TSN-5G融合的R17研究报告中，提出在同一VN group的UE间通过相同的UPF直接通信，因此可重用5G LAN的机制。当前，满足如下条件的DS-TT/UE可以直接进行5G TSN的通信。

(五)发展建议

2020年12月22日，工业和信息化部发布了《工业互联网创新发展行动计划(2021-2023年)》。新型基础设施进一步完善，覆盖各地区、各行业的工业互联网网络基础设施初步建成，在10个重点行业打造30个5G全连接工厂。

推进企业内网升级，支持工业企业运用新型网络技术和先进适用技术改造建设企业内网，探索在既有系统上叠加部署新网络、新系统，推动信息技术(IT)网络与生产控制(OT)网络融合。

开展企业外网建设，推动基础电信企业提供高性能、高可靠、高灵活、高安全的网络服务。探索云网融合、确定性网络、IPv6分段路由(SRv6)等新技术部署。

深化“5G+工业互联网”。支持工业企业建设5G全连接工厂，推动5G应用从外围辅助环节向核心生产环节渗透，加快典型场景推广，探索5G专网建设及运营模式，规划5G工业互联网专用频率，开展工业5G专网试点。