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1  引言

工業互聯網是新一代信息通信技術與工業經濟深度融合的全新工業生態、關鍵基礎設施和新型應用模式，通過人、機、物的全面互聯，實現全要素、全產業鏈、全價值鏈的全面聯接，將推動形成全新的工業生產制造和服務體系。

工業互聯網本質是在全面深度互聯基礎上，以數據為核心的智能化閉環，包括網絡、數據和安全三大技術板塊。網絡是實現工業互聯網的基礎，包括網絡互聯、標識解析、應用支撐三大體系；數據是工業企業業務關注的重點，包括“采集交換-集成處理-建模分析-決策與控制”等；安全是工業/產業互聯網各個領域和環節的安全保障，包括設備安全、控制安全、網絡安全、應用安全等。

按需要支撐的業務的地理范圍，工業互聯網包括工業園區網絡、工廠網絡、互聯網等。

根據ITU-T Y.4208，邊緣計算是在靠近數據源處為業務提供所需的計算、存儲、智能、網絡等資源。

傳統上，強大的計算、存儲、網絡、智能等資源以云的方式部署在互聯網中。云計算按需提供給工業企業，能夠大大降低工業企業購置計算、存儲、網絡等資源的成本。但是云計算一般部署在互聯網中，從工業企業的數據產生地到云計算數據中心，需要依靠接入網、承載網、互聯網等多域網絡，時延、網絡傳輸可靠性等指標不能滿足工業企業的某些業務需求，如遠程控制、基于視頻流的交互類操作等。此外，工業企業對將工業數據存儲在云服務供應商的云服務器里，也有信息安全等方面的顧慮。

本文所研究的工業園區網絡技術聚焦工業園區邊緣計算業務需求，并重點側重端邊協同網絡難題。

2  工業互聯網網絡框架

圖1是工業互聯網網絡框架，從網絡互聯的角度看，園區網絡處于現場網絡和互聯網之間，并靠近現場網絡的各種終端和設備。

圖1 工業互聯網網絡框架

現場網絡的終端和設備大體可以分為執行器、感知器、視頻終端。

互聯網中資源豐富，包括計算和存儲資源幾乎不受限的云計算數據中心、可支持從名稱到地址解析的工業互聯網標識解析系統等社會基礎設施類資源，也包括歸屬私有主體的各種數據資源，如終端/設備信息等。

互聯網能為辦公類信息共享、大數據分析等提供有力支撐，但是無法直接為園區和現場的業務提供使能。

邊緣計算伴隨著工業4.0等工業互聯網戰略目標存在，一直是業內的關注熱點。將云資源從互聯網拉回到園區，形成邊緣云。大體上，邊緣云需要處理兩類業務，一類是處理從工業現場采集來的多種數據，如分析產品質量、對生產過程進行監測等，另一類是需要根據采集到的感知數據對執行器進行遠程控制。第一類邊緣云業務對網絡傳輸時延、可靠性等性能不敏感。第二類邊緣云業務不論對網絡傳輸還是有關的OT技術都有較大挑戰，是邊緣計算的研究重點。

從工業現場的終端/設備到園區邊緣云，涉及到的網絡包括現場網絡、園區接入網、園區承載網等。實現現場網絡與園區接入網、園區承載網協同，端到端保障從現場終端/設備到邊緣云的網絡性能指標是邊緣計算有關網絡的目標。實際情況下，因工業現場網絡往往由工業裝備以及工業裝備之間的私有連接、私有協議以及專有業務流程決定，碎片化和封閉是工業現場網絡的特點。這一特點使得園區網絡技術的發展變得更加復雜，產業推進也較為緩慢。

舉例來說，以實現現場網絡統一承載為目標的TSN，在實際的推進發展中就遇到TSN與現場終端/設備對接較為困難的問題。如果TSN能為現場網絡提供北向統一承載，將大大有利于園區網絡與現場網絡對接，并能有力促進從現場終端/裝備到邊緣云的端到端網絡性能保障。

為了賦能現場網絡、園區接入網、園區承載網協同，需要能夠對接現場網絡、園區接入網、園區承載網的網絡控制器。網絡控制器如何識別來自現場網絡的數據流、如何對不同數據流進行差異化的網絡性能保障是需要解決的問題，園區網絡越大，流識別和網絡保障難度越大。

總之，要在園區網范圍保障遠程控制類業務，需要邊緣云、園區網絡、現場網絡以及IT和OT技術的協同發展。為了有效保障邊-端協作，業內研發了多種適用于提升園區網絡性能穩定性的技術，如TSN、DetNet、DIP、TSC等。

3  關鍵技術簡述

3.1   TSN

TSN是由IEEE 802.1制定的一系列標準[3]，  主要描述了幾種用于確保或改進以太網流量實時傳輸的機制，允許在集成的橋接網絡上控制具有各種要求的流（flow），例如超低延遲、低抖動和零丟失可靠性[3]。IEEE TSN標準最初于2018年正式發布，適用于Ethernet網絡[4]。

TSN標準包括時間同步、流控機制、可靠性保障、資源管理等。

時間同步標準的主要功能是通過對本地時鐘的操作，實現整個系統的統一時間標度。TSN的時間同步標準主要包括IEEE 1588和IEEE 802.1AS，其標準導圖如圖2[7]所示。

圖2 TSN時間同步標準導圖

流控機制是TSN實現流確定低時延傳輸的關鍵技術之一。TSN流控過程主要包括流分類、流整形、流調度和流搶占，如圖3[7]所示。

圖3 TSN流控過程示意圖

（1）交換機在入端口根據標識符等信息對幀進行識別和分類；

（2）分類后的幀進入各自的優先級隊列進行排隊；

（3）流整形模塊在流排隊完成后對超過限制速率的AVB（Audio Video Bridging）流進行限制和控制，其余如TT（Time Triggered）流和BE（Best Effort）流則無需進行整形，直接進行流的調度與搶占操作；

（4）流調度模塊根據不同的流調度策略或算法決定幀的轉發順序，并根據流特殊需求執行搶占操作；

（5）選擇不沖突的交換機出端口對流進行轉發。 TSN的可靠性主要指網絡對故障的預防以及恢復能

力。TSN的可靠性標準主要包括IEEE 802.1CB和IEEE802.1Qci兩個標準，如圖4[7]所示。

圖4 TSN可靠性標準導圖

資源管理的主要功能包括對網絡資源進行管理和配置，以及對性能數據進行檢測和分析等。其標準導圖如圖5[7]所示。

圖5 TSN資源管理標準導圖

3.2   DetNet

IETF確定性網絡（Deterministic Networking，DetNet）是與TSN有密切關系的技術。與IEEE TSN主要關注Layer 2不同，DetNet專注于在Layer 2橋接和Layer 3路由段[6]。圖6是TSN和DetNet之間的關系示意圖，DetNet使兩個TSN端系統之間的長距離、確定性通信成為可能[7]。

圖6 TSN over DetNet[7]

3.3   DIP

由于DetNet沒有基于IP層的轉發時延控制，無法很好地應用于大規模網絡，即不適用于大型域組，例如Internet。為此，2018年，DetNet工作組開始研究Deterministic IP（DIP）[8]。

在MWC 2021上海展期間，  華為實物展示了DIP技術原型樣機，通過現場對比普通IP和DIP在承載真實工業控制信號時延和抖動的差異，  展示了DIP如何使能微秒級確定性網絡[9]。

3.4   3GPP TSC

3GPP在R16引入了5G與工業網絡互通的架構，  稱作時間敏感通信（Time-Sensitive Communication，TSC）[10] ，如圖7所示。TSC將5G系統作為一個TSN網橋集成在TSN系統中，通過高精度時間同步、確定性轉發、TSN管理協同及網絡拓撲發現等能力，在固網覆蓋困難或存在移動性要求的業務場景輔助TSN網絡，提供確定性網絡傳輸服務[11]。

圖7 TSC over 5G System [Source: 3GPP]

為了支持TSN時間同步，5GS作為TSN網橋與外部網絡集成。根據3GPP TS 22.104，應將5GS建模為符合IEEE Std 802.1AS-2020的實體[12]。對于TSN時間同步，整個端到端5GS可視為IEEE Std802.1AS-2020定義的“時間感知系統”[13]。

4  結語

工業園區網絡業務需求各異、技術基礎也不同，為了有效支持邊緣計算相關業務，特別是控制類和協同操作類業務，園區網絡性能的穩定性是必然要保障的重要指標。

本文在梳理了工業互聯網網絡框架后，對工業園區網絡可能會用到的幾種確定性網絡技術，即TSN、

DetNet、DIP以及TSC進行了研究。TSN、DetNet、DIP可用于園區承載網中，TSC可用于園區5G接入網。具體組網需由實際場景和業務需求確定。

園區網絡、邊緣計算等是工業園區實現進一步產業升級的基礎性技術。雖然目前業內已在園區承載網對TSN等確定性網絡技術進行了試驗，取得了預期效果，但園區網絡與工業現場網絡的協同是端到端保障的關鍵，是需要進一步努力的方向。  

作者簡介：

賈雪琴  （1979-），女，湖南人，高級工程師，博士，現就職于中國聯合網絡通信有限公司研究院，主要從事工業互聯網、確定性網絡等技術的研究和標準化工作。

黃   蓉  （1986-），女，四川人，高級工程師，博士，現就職于中國聯合網絡通信有限公司研究院，主要從事移動通信，邊緣計算，5G+工業互聯網等研究工作。

李振廷  （1983-），男，黑龍江人，高級工程師，  博士，現就職于之江實驗室，主要從事移動通信、確定性網絡、工業互聯網等研究工作。

韓政鑫  （1994-），女，河南人，工程師，碩士，現就職于中國聯合網絡通信有限公司研究院，主要從事移動網絡、5G+工業互聯網及行業專網研究工作。

參考文獻：

[1] ITU-T Y.4208. IoT requirements for support of edge computing.[Z].

[2] IEEE. Time-Sensitive Networking (TSN) Task Group[EB/OL].

[3] Y. Seol, D. Hyeon, J. Min, M. Kim and J. Paek. Timely Survey of Time-Sensitive Networking: Past and Future Directions[J].IEEE Access. 2021, (9) : 142506 - 142527.

[4] IEEE Std 802.1Q-2018, IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Network–Bridges and Bridged Networks[S]. 

[5] 蔡岳平, 姚宗辰, 李天馳. 時間敏感網絡標準與研究綜述[J]. 計算機學報, 2021, 44 (07) : 1378 - 1397.

[6] IETF. Deterministic Networking (detnet)[EB/OL]. 

[7] ETSI GR NGP 008 V1.1.1 (2019-01). Next Generation Protocols (NGP); Mobile Deterministic Networking[S].

[8] S. Wang, B. Wu, C. Zhang, Y. Huang, T. Huang and Y. Liu. Large-Scale Deterministic IP Networks on CENI[C].IEEEINFOCOM 2021 - IEEE Conference on Computer Communications Workshops (INFOCOM WKSHPS), 2021. 1 - 6.

[9] C114通信網. 微秒級確定性IP走進工業制造: 華為DIP技術再次亮相MWC 2021上海展[EB/OL]2021-2-27.

[10] 3GPP TS 23.501. System Architecture for the 5G System[S].

[11] 黃震寧, 李愛華, 張昊, 等. 3GPP R16 5G核心網技術綜述[J]. 移動通信, 2021, 45 (1) : 85 - 89.

[12] 3GPP. Service requirements for cyber-physical control applications in vertical domains[EB/OL].

[13] IEEE Std 802.1AS-2020. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks[S].

摘自《自動化博覽》2022年2月刊