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我們梳理一下網絡技術或者互聯網的主流通信技術發展的歷程，從100年前剛出現模擬和數字傳輸開始一直到現在我們有如此方便快捷高效穩定互聯網的技術。

中科院李棟：工業SDN網絡關鍵技術與測試床

李棟：感謝海花總，各位嘉賓大家好，我來介紹一下工業SDN關鍵技術與測試床的相關內容。我的報告分三個部分，首先介紹一下工業互聯網的網絡技術發展的脈絡，由此引出我們為什么需要工業互聯網這樣的網絡，然后給大家簡單介紹一下這個工業互聯網網絡架構和一些相關的關鍵技術。最后，我會花大一點的篇幅結合我們在AII里面成功跟生產相關的測試床，給大家介紹工業互聯網網絡具體的內容。

我們梳理一下網絡技術或者互聯網的主流通信技術發展的歷程，從100年前剛出現模擬和數字傳輸開始一直到現在我們有如此方便快捷高效穩定互聯網的技術。在這個過程中我看到出現了一個從市場體量來說非常小的分支就是工業網絡。可以說所有工業網絡到目前為止全部是由商用網絡或者由互聯網這樣的主流技術發展而來的。但是為什么我們不能夠直接使用主流的商用網絡技術？一定在工業里面提出一些新的技術，提出一些跟主流不同甚至不兼容的技術。原因就是在于我們中間劃了一道線，商用網絡本身具有比較強的非確定性。工業領域我們更強調確定性或者說實時性或者說是確定性的實時，確定性的可靠，我們更關注這樣的內容。

簡單梳理一下商用網絡發展歷程，可以發現在這個過程中商用網絡不斷的提高帶寬滿足用戶對吞吐量方面的需求。在這個過程中其實是建立在一個理論統計復用的理論基礎之上，帶寬越多、資源越多、用戶的需求得到滿足的概率就越大，但是并不會達到百分之百。他并不能夠保證每時每刻每一個業務都能夠滿足用戶的需求。

由此產生了工業網絡技術，傳統的工業網絡技術是在IEEE802.3以太網技術成熟之后，工業網絡借鑒了以太網的幀結構。因為當時以太網的核心是CSMA/CD機制，天然會帶來網絡部確定性。很多廠商所有主流做工業自動化的廠商都在標準以太網的基礎之上做了他們自己相應的改變，將CSMA機制改變，用什么樣的機制，一定會把它改掉，時分、輪詢、令牌、集總幀等機制避免競爭，可以給CSMA網絡帶來確定性，保證實時性要求。隨著實時性等級不同，可以將現有工業以太網技術分為三類，他們是對實時性保障級別是各有不同的。

剛才提到因為不同的廠商根據自己的工業控制領域不同的要求，比如運動控制和自動化控制，其實他在實施性的要求是不同。針對不同的需求設置不同的網絡協議，研制不同的網絡技術，進一步造成了網絡之間其實很難相互兼容和互聯。現在的方式是我們用了一個往往是通過網關的形式，形成多個網絡之間的互聯，能夠做一個比較簡單的數據的流通。但是這個過程中因為要做大量的應用層的適配，數據一定要到應用層里面甚至說因為工業以太協議的數量、復雜程度太多，使得我們很難將兩兩協議都完全適配起來，形成一個完全打通工業互聯網的狀況。

因此無論是國內還是國外在發展工業互聯網的時候，都面臨著網絡相互割裂，嚴重影響了網絡互聯效應這樣的問題。同時也都提出了我們能不能用同一張網絡，能不能構建扁平化的網絡，使用相同或者類似網絡設備將所有工業控制方面設備和服務于工業控制的管理和IT業務的設備全部連接起來。

因此我們提出來在工業互聯網的工廠內網里面正在向著一個ITOT融合趨勢發展，我們總結一下一個ITOT融合的網絡應該具備的功能。首先是融合接入，這個網絡應該能夠接受工業以太網的專有協議和標準以太網的通用協議都可以插到這個網絡里面，都可以通過這個網絡進行統一接入。第二是融合的互聯，因為目前我們仍然保留大量現有工業控制網絡的系統，原有系統和原有生態里面，原來專有的網絡協議仍然會占有相當大的市場份額和空間。這里面這個網絡需要支持融合互聯，能夠支持標準以太網協議相互之間的互聯，也支持工業以太網專有之間的互聯。因為我們使用同一張網絡，這個網絡管理角度來說，我能夠看到這個網絡里面所有流量，能夠看到這里面所有設備。我有理由能夠做一個統一融合的管理，可以進行統一拓撲管理、設備管理、策略管理、業務管理等等現在網絡管理應該做的東西都可以在這個統一的網絡里面來進行完成。

為了實現這樣一個ITOT融合的網絡，我們借鑒SDN的理念，在網絡層構建一個扁平化架構，這些轉入、轉發的網絡設備他們其實相互平等，他們是以一個融合的形式連接在一起。這里會有一個統一的ICT的控制器，由這個控制器進行整個網絡統一管理和調度。所有用于工業生產的IT和OT設備，全都能接入這樣的網絡中來。這樣的網絡里面，他們的核心，因為說他連接了原有IT和OT設備，網絡本身就既要保證IT業務、高帶寬、高吞吐量的需求，又要滿足OT的需求，這是這個網絡組合需要解決的問題。這樣的網絡中，我們之所以借鑒了SDN的架構，我們看到我們可以利用SDN的北向接口跟工業控制系統相關聯，系統會產生什么樣的通訊的需求，有多大的通信量，有什么樣的實時和可靠性的要求，可以通過北向接口送到控制器這邊來，控制器掌握所有調度和管理，生成策略下發到扁平化的交換機里面去。通過這樣的架構，極大的提高網絡擴展性和靈活性，又能保證現有的ITOT業務的需求。

從技術角度主要的思路是說我們在任何一個網絡都有控制面和轉發面的分離，這套系統里面轉發面主要負責數據流的轉發，承載數據流，按照相應策略進行轉發。控制面我們設計相應的網絡模型計算一共有多少資源，現在的業務占去多少資源，還剩下多少資源。有一個新的業務請求，通過北向接口到我網絡里來之后，我通過什么樣的策略在現有網絡資源情況下能夠進行承載。能承載，我會聲稱相應的策略。如果不能承載，要顯示通知相應的業務提出方，你的需求我無法滿足，你的業務不要上線。這是我們在工業領域非常愿意接受這樣一套模式。

由于時間關系，我的技術方面不多說，這里簡單結合我們測床軟件定義可重構智能制造驗證示范平臺來給大家介紹一下這個平臺的情況。這個平臺中間的一層網絡核心就是我剛才提到的工業網絡。這個測試床提出的背景是這樣的，隨著消費理念不斷升級，現在很多行業尤其是跟消費者關系比較大的電阻家電更偏零售業行業越來越面臨個性化定制的需求。我生產一個產品，產品定型、上市到被淘汰的時間越來越快，如果這個廠商不能很快的跟上新的潮流，不能跟上新的IP，不能有新的熱點產品出現，這個廠商在市場上的生存率生存幾率很低。這個過程中我們發現傳統的自動化的生產線，它的自動化水平越高、效率越高，當我要對它進行改變的時候，當我要做一個新的產品，要做這個產品的工藝和各方面調整的時候，它轉變的速度就越慢。在這個過程中要添加大量的人工操作，使得耗時非常長。我們希望整個，相應如果說我們原來生產線里面是大量的人工，雖然說我們效率會低一些，但是當我這個生產會發生改變的時候，轉場進行個性化定制的時候，人的效率，人的柔性是很好的。

我們面臨問題既要提升自動化率，既要在整個生產過程當中減少人的干預，從事又要保證怎樣快速實現新的訂單，適應新的產品，適應新的產品的生產是我們面臨的一個主要的問題。因此整個測試床是面向個性化需求，產品更新換代比較快的離散制造業。怎樣設計一套新的生產系統，包括對設備編程，網絡，軟硬件系統，通過一整套的改變去支撐高度定制化生產的產品會快速而且是規模化生產。

傳統現有制造流程從設計到最后的產品生產是串形的過程。如果我要發生改變，從機械結構、工業網絡、管控軟件，包括自動化軟件從各個方面進行更改，我的調整周期會很長。造成這樣長周期根本的原因，我們認為現在的自動化系統PIC的編程模式類似匯編的架構，修改難度比較大，代碼和相關的部件的自用率比較低我們構建一個軟件定義的平臺，這個平臺中中間這層是網絡，這層是基于SDN的ITOT融合的網絡，下面連接各種制造設備，上面將云、MES、CPS統一在同一個網絡之上，解決上下之間軟件層面和硬件層面之間以及上下南北和東西向的數據交互非常的靈活便利。同時我們將原本應該是沉淀于設備本身，設備端很多自動化控制相關的功能，將這部分代碼進行孵化和智能化封裝，將原本應該在底層PIC層面進行控制調度這樣的操作，全部提交到CPS管控軟件。我們將原來很多匯編級做的事情放到高一層的層面來做極大的提高整個系統的效率。這個過程中我使用更高級的語言，整個系統的實時性和可靠性，這里我們會設計相應的技術去解決遇到的各種問題。

通過這樣的系統，我們可以實現這樣的場景，這是我們三個場景之一。當我的訂單發生變化的時候，比如我原來的生產是這樣，我的訂單有兩倍的時候，我的生產線會自動發現我產生瓶頸的生產環節，是一個打磨的環節。我會有一個自動，承載打磨的裝置，隨時加入到系統的生產過程中來，解決瓶頸的工藝效率。當我高峰訂單過去之后，可以撤去，可以支撐這樣動態的變化的調整。這樣的過程中，需要網絡支撐自動化系統的重構，需要其中的軟件支持重構，需要上面的各種應用系統支持它的重構。

通過這樣的測試床我們能夠實現個性化定制產品的快速、規模化生產，控制系統編程復雜度降低90%。測試床也受到了各級領導的廣泛重視，也得了一些獎。

我的匯報到此結束，謝謝大家。

摘自 中國信息通信研究院