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[资料] 工业网络联接IP化技术与实践白皮书

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发表于 2021-11-24 10:04:14 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省深圳市
1、工业网络联接IP化快速发展
工业网络联接的IP化不是一蹴而就的,而是一个由外向内、自上而下的发展过程,工厂外网首先实现了IP化,工厂内网的IP化正在自上而下逐步推进,推动信息技术(IT)网络与生产控制(OT)网络融合,加速工业数据采集、分析和人工智能技术深入工厂、车间和生产线,实现远程集控,孵化现场少人化、无人化生产的新业态。在工业互联网“网络体系强基行动”中,网络联接的IP化将有力推动信息技术(IT)网络与生产控制(OT)网络的融合,推进企业内网升级改造,加速工业数字孪生、AI机器视觉等新技术、新装备的普及,实现数据上得来、算力下得去、上下游贯通。

1.1 工业网络联接IP化,加速工业数字化发展
如果说“设备网联化”是工业互联网的基础,那么“联接IP化”则是智能制造发展的前提。工业生产中的人、机器、装备、物料等资源通过有线或无线的方式彼此连接或与互联网相连,形成便捷、高效的工业互联网信息通道,实现工业数据的互联互通,拓展了机器与机器、机器与人、机器与环境之间联接的广度和深度;实现数据在现场与边缘、云端的无缝流转,实现算力从云端下沉到边缘,下沉到端侧。总结来讲,联接IP化的价值就是要实现“数据上得来、算力下得去、上下游贯通”,达成“智能化制造、网络化协同、个性化定制、服务化延伸、数字化管理”的目标。

1.1.1 实现数据无缝流转,加速智能化制造
利用网络信息技术和先进制造工具来提升生产流程的智能化,从而完成数据的跨系统流动,包括数据的采集、分析与优化,实现设备性能感知、过程优化和智能排产,是工业4.0智能化生产的基本要求。
目前ISA-95(企业系统与控制系统集成国际标准,由仪表、系统和自动化协会 ISA在1995年投票通过)的五层架构中,数据采集需要“逐层上送”,每一层的数据传递过程都存在较多的数据信息损失,难以满足智能化生产的需要。智能化生产的基本要素就是海量的数据。只有数据充分地采集、流转,并减少数据信息损失,才能真正发挥大数据的作用。同时,为了实现AI机器视觉质检、智能排产、过程优化,算力也需要能下沉到边缘甚至现场,将数据和智能充分融合起来,更高水平地实现智能化制造、预测性生产、过程控制优化。
无论物理层介质是有线还是无线,绝大多数IT信息系统都采用互联网协议(IP协议)实现互联互通, IP协议已经成为通用的网络协议技术。工业网络联接IP化,可以实现端到端的、跨空间、跨系统的互联互通,实现数据的充分流转,从而实现对工业生产过程全要素的建模、分析、优化和预测。
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1.1.2 支持远程集控,助力现场少人化、无人化生产
传统工厂的工业生产控制室分三个层次,分别是现场的操作室、厂部的调度室、基地的总调度室,其中操作室处于生产一线的现场。化工、冶金等很多行业的现场操作环境恶劣、或者危险,采用远程集控模式实现现场操作少人化、无人化,已经成为趋势。但现有的工业控制系统普遍采用工业以太、工业总线等局域网络架构,无法满足远程集控的诉求。只有采用IP协议组成联接海量设备的大型网络,才能满足远程集控需要的远程连接、大规模组网等需求。
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1.1.3 打破工控网络七国八制,降低建网成本
传统的工业现场网络主要是采用现场总线、或工业以太技术,历史上各个行业的独立发展造成了多种各自不同的现场网络技术标准,如ProfiBus/ProfiNet、EtherCAT等。这些不同的工业以太网虽然都是基于IEEE802.3的以太网架构,但其在协议栈设计上并没有完全遵循TCP/IP协议栈模型,往往只是简单地借用以太网报文的帧格式,并且对数据链路层或多或少地做了硬件修改或软件修改,已经不是IEEE802.3的标准以太网了。这也是各种工业以太网协议难以互联互通的根本原因。
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IP技术是一种设备端到设备端的通信协议,天然就可以实现各种异构介质网络的互联互通,而无需中间的协议转换网关。随着工业智能逐步深入工业现场,控制和智能的融合、实时数据流和非实时数据流的融合正在驱动工控系统向下一代智能工业控制架构发展。而IT和OT融合的架构也需要一个更加灵活、更加开放的网络技术。采用标准的IP协议和以太网技术架构,不仅可以满足下一代智能工业控制架构的需求,实现算力按需部署、实现数据直采,加速数据流转、消除网关壁垒,而且通用网络技术和通用网络协议也降低了工业网络的建设成本和运维成本。

2、工业网络联接IP化的挑战与机遇
在这个万物互联的时代,要完全实现机器与机器、机器与人的信息互联,传统的IP技术面临新的挑战,如:工业领域的自动化控制场景需要解决端到端的确定性传输问题,网络的运维管理要满足工业的部署场景要求。另外,传统的工业终端很多是“哑终端”,难以支持IP协议栈;随着物联终端的智能化程度不断提升,物联终端的安全风险也需要有效应对。
在这些挑战驱动下,以“IPv6+”为代表的技术创新层出不穷。“IPv6+”是指面向5G、云网和工业互联网时代的IP网络新技术体系,包含SRv6源路由技术、网络切片、确定性IP技术、性能测量技术等多个创新方向,可以提升路径规划、业务可视、确定性SLA保障等网络智能化水平。
2.1 工业网络联接IP化面临的挑战
2.1.1 推动工业终端加速向智能化演进
传统小型低成本微控制器构成的工业终端设备的功耗、存储等资源极为有限,难以支持传统IP协议栈,这是传统工业网络IP化进程受阻的重要原因。
随着半导体工艺、新一代通信技术的快速发展,工业终端设备的数据收集、处理、存储和通信能力显著提升,新出现的一些轻量级IP协议栈只需要几KByte的RAM、小于10KByte的ROM。如Contiki操作系统上的开源uIP协议栈、基于TinyOS的商业授权的IPv6协议栈、商业授权的NanoStack等协议栈对存储器的需求均在10KByte以内(参见Interconnecting Smart Object with IP - The Next Internet)。这些新型协议栈的出现,大幅加速了工业终端IP化、智能化的进程。
《工业设备网联化技术与实践白皮书》认为,在各种工业场景中已经出现了多种技术来提升工业设备IP化的普及率,预测到2030年工业网络联接IP化比例将提升到70%以上。

2.1.2 IP网络需要满足工业对确定性时延的需求
传统IP网络主要服务于办公互联网、消费互联网,基本没有考虑工业领域的自动化控制、运动控制等场景,在数据传输时延、抖动、可靠性等方面需要有新的技术突破,才能满足工业网络的严格要求比如,现场级的自动化控制系统对确定性的时延要求非常严格,在一些高精度机床上的运动控制的指标甚至要求达到1ms以下。

2.1.3 运维管理需要更加智能
随着社会经济的发展,科技的进步,工业生产的规模、复杂性也越来越大,需要联接的人、机、物越来越多。据测算,到2030年,全球联接数将增加到3000亿。与此同时,工业生产领域的少人化、无人化发展促进了机器人、机器视觉、视频监控等新业务的广泛应用,这对工业网络也提出了更高的要求,不仅需要带宽更大、时延更短、抖动更小,也要求更易运维管理。工业网络运维管理的一个基本原则就是“0”工作量:简单直接,不能给工业生产带来额外的负担。
1)首先,工业终端要做到即插即用,“0”配置;这势必要求未来的工业终端遵循一个开放、标准的协议栈体系。
2)其次,工业网络必须是服务化的软件定义网络,通过网络控制器的北向接口的开放,按需提供自动化的联接服务,实现机器与人、机器与机器之间的无缝联接和业务与网络的融合;
3)第三,网络的数字孪生也是智慧工厂数字孪生的一部分,采用随路网络测量、大数据分析、智能化预测等新技术,预测故障的可能发生点,提前消除风险、快速解决问题,降低运维复杂度。
传统的园区IP网络主要服务于办公网络,虽然在易用性、可靠性以及故障处理方面有一些措施,但是面向工业生产还需要进一步增强这些能力。很多工业终端还不支持IP地址的自动获取,导致设备无法即插即用;在可靠性方面,工业现场的控制往往都在ms级,这样就要求保护倒换要更快,甚至要达到亚毫秒级。
目前针对工业场景,也出现了很多新的IP网络技术:包括基于IPv6的源路由技术、随路网络测量技术,网络控制器中的意图引擎、大数据分析技术等等,可以有效应对工业网络的运维挑战。

2.1.4 物联终端的安全风险需要有效应对
工业物联网设备在网络威胁面前同样无法幸免,通过物联终端入侵工控系统的案例也屡见不鲜,包括终端身份仿冒、终端木马劫持、病毒横向扩散等。随着物联终端数量持续增加、使用场景日益广泛,其安全风险也需要有效应对。除了防火墙、网闸等传统边界防护手段之外,采用人工智能、大数据等技术对工业物联网设备的入网、联接、通信等行为模式进行分析,可以有效识别和应对潜在安全风险,实现终端防仿冒、防劫持、阻断病毒扩散等。针对普通物联终端,业界已经有较为成熟的方案,对于工业物联终端场景,这些方案可以借鉴和进一步加强。

2.2 IPv6+技术创新加速工业网络联接IP化
2.2.1 灵活以太网技术
灵活以太网技术(FlexE)是在Ethernet技术基础上,为满足高速传送、带宽配置灵活等需求而发展的技术。通过在IEEE 802.3基础上引入FlexE Shim层实现了MAC与PHY层解耦,实现了灵活的速率匹配。灵活以太网基于Client/Group架构定义,可以支持任意多个不同子接口(FlexE Client)在任意一组PHY(FlexE Group)上的映射和传输,从而实现端口捆绑、通道化及子速率等功能。
其中通道化(Channelization)实现了多路低速率 MAC数据流共享一路或者多路PHY,如在100GE 物理链路上承载25GE、35GE、20GE与 20GE的四路MAC数据流。通道化提供了接口级不同FlexE Client之间的物理切分及相互隔离,是构建端到端网络分片的重要基础技术。
基于FlexE构建的端到端网络切片,可以实现不同业务的精细化管理和统一承载。如在钢铁制造场景,轧钢车间内既有视频监控业务,又有轧钢设备控制业务。这二者的业务流可以承载在同一个网络设备上,在此设备上部署2个FlexE切片,一个切片承载视频监控业务,另一个切片承载轧钢控制业务,可实现二种业务流量转发过程中的物理隔离,视频监控业务的流量突发不会对轧钢控制业务产生影响。

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