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在業界將目光聚集在工業互聯網平臺培育的同時，網絡側的“互聯互通”缺失卻不容忽視。

在工業互聯網體系中，網絡是基礎，數據是核心，安全是保障。《國務院關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》中提出，組織實施工業互聯網工業企業內網、工業企業外網和標識解析體系的建設升級。

在“看得見的手”的推動下，一場自上而下的工業互聯網網絡改造工程正式開啟。本文為你解構工業互聯網中的通信技術。

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5G：搭建比馬達還快的機器連接

一場自上而下的工業變革正悄然進行。

2012年，國際制造業巨頭—美國通用電氣公司(GE)首次提出工業互聯網概念，認為未來將通過設備、互聯網與大數據相結合，促進更先進的設備和更完善的服務產生，工業互聯網將是繼工業革命和互聯網革命之后的下一次全球商業浪潮。

隨后，德國、中國等國際大國相繼將工業互聯網擺著重要戰略地位，工業互聯網之戰一觸即發。

然而，在各方意圖搶占工業互聯網先機時，5G因為其高速率、低時延、海量連接等特性能夠為工業互聯網提供網絡基礎，而被視為實現工業互聯網的“助燃劑”。

那么，5G是如何助燃工業互聯網?據悉，要想節省工廠效率，實現工業互聯網，就需要完成工業自動化的工業控制，而這需要端到端毫秒級的超低時延和接近100%的高可靠性通信做保障。

5G網絡切片技術能夠為工業應用分配專屬的低時延高可靠切片，并通過切片內部參數監控，實現可根據業務需求變化自動優化網絡參數，并可針對不同企業的多樣產品需求進行更細粒度切片, 從而可以較低成本滿足垂直行業需求。

盡管5G還未走進現實，華為、中興、愛立信、諾基亞等國際主流設備商在加緊研發5G技術的同時，都在積極與垂直行業合作，利用其端到端無線網絡試水工業互聯網。

華為輪值CEO徐直軍曾公開表示，5G能大幅度提升用戶體驗，諸如在5G網絡下，下載一部6G的高清電影只需要2秒，且能實現千億級的連接，同時，5G還具有工業級的可靠性和實時性，將為工業互聯網提供強大網絡支撐。

值得一提的是，在日前落幕的2018 MWC上，華為就展示了5G助力智能制造實現柔性生產的縮影。據悉，該應用通過用無線網絡連接了“工廠”中的9臺WAVE機器人，它們通過無線網絡的形成分工協作，能夠快速地根據需求組裝3種不同的圓珠筆，甚至將買家的名字刻在筆殼上。

此外，愛立信也將工業互聯網作為5G的殺手級應用，并在MWC2018上和中國移動聯合展示了智能工廠，該應用是利用5G網絡切片能力，支撐產線產品的定制化組裝能力，對產線上的配件信息實時采集，借助云端人工智能進行識別和匹配，并根據識別結果，驅動機械臂完成產品組裝。

同時，諾基亞也與中國移動共同展示了5G網絡切片在工業自動化領域的應用場景，通過移動網絡實現了液壓自動化高精度控制和作業場地實時監控的業務演示， 展示了5G網絡切片技術在工業自動化領域的應用實踐。

可以發現，雖然工業互聯網方興未艾，5G仍在路上，但5G與工業互聯網結合已是必然，也必將創造更大的價值。

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邊緣計算：海量工業應用的計算基石

工業互聯網離不開邊緣計算(MEC)。

IDC統計，截至2020年將有超過500億終端與設備聯網，未來超過50%的數據需要在網絡邊緣側分析、處理與儲存。邊緣計算能在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側就近提供邊緣智能服務，滿足行業數字化在敏捷聯接、實時業務、數據優化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。

通過邊緣計算的資源和能力，可將虛擬空間和物理實體緊密融合在一起。

在工業制造領域，要實現數字化制造、網絡化協同、智能化轉型，離不開物聯網、大數據和云計算，更離不開邊緣計算。

換言之，邊緣計算接近于工業上分布式自律的概念，在基于互聯網的異構分布式計算環境下，集中與分散相結合，既有效利用互聯網的資源，又保證了用戶系統的自律性、安全性和健壯性。

眾所周知，“工業4.0”的核心是CPS，而融合了網絡、計算、存儲、應用核心能力的邊緣計算，顯然是CPS的核心。因此，邊緣計算被看作“工業4.0”核心之核心。

在目前普遍采用的基于PLC、DCS、工控機和工業網絡的控制系統中，位于底層、嵌于設備中的計算資源許多都是邊緣計算的資源。

作為邊緣計算的具體表現形式，工業CPS在底層通過工業服務適配器，將現場設備封裝成web服務;在基礎設施層，通過工業無線和工業SDN網絡將現場設備以扁平互聯的方式聯接到工業數據平臺中;在數據平臺中，根據產線的工藝和工序模型，通過服務組合對現場設備進行動態管理和組合，并與MES等系統對接。工業CPS系統能夠支撐生產計劃靈活適應產線資源的變化，舊的制造設備快速替換與新設備上線。

以冶金行業為例，目前規模以上冶金企業信息化已頗具成效，但缺少的恰恰是末端智能。冶金方面的數據經常出現完整性和一致性的問題，解決不好會給能源管理和智能管理環節造成困難。

此外，冶金的物流跟蹤是典型的CPS，其間，物理與化學形態經常發生改變，控制過程有一定難度。邊緣計算能在其中發揮著重要作用，幫助實物聯網，成為工業物聯網技術的有效補充。

顯而易見，通過引入邊緣計算，能夠為制造業提供：設備靈活替換;生產計劃靈活調整;新工藝/新型號快速部署。進一步推動智能制造的實現。

未來，作為工業物聯網分析和處理應用程序的引擎，邊緣計算將會發展得更快。此外，邊緣計算技術公司也在成為資本市場下一個投資目標。隨著從汽車、無人機、醫療設備到機器人領域設備連接數量不斷增長，越來越多企業正在擁抱邊緣計算技術。

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SDN：工廠靈活組網的首選

物聯網時代將至，與所有網絡一樣，工業互聯網正在沿著IP化、扁平化、無線化、靈活組網的方向演進。

在這一背景下，能為傳統網絡僵化架構帶來新活力的SDN與NFV將成為工業互聯網網絡技術發展的重要方向。

眾所周知，目前分層割裂的工業控制網絡架構嚴重阻礙了信息的高效互聯，需要構建新的扁平的工業控制網絡架構，同時，工業互聯網的工廠內網正在向著一個IT與OT融合趨勢發展。

因此，基于SDN的工業融合互聯網架構憑借既能夠實現扁平化，又能將IT與OT完美融合成為工業互聯網發展的首選。

未來工業SDN融合網絡架構將包含三大特征：

首先是融合接入，工業以太網的專有協議和標準以太網的通用協議都都可通過這個網絡進行統一接入。

第二是融合互聯，因為目前仍然存在大量現有工業控制網絡系統，而原有系統和原有生態里的專有網絡協議仍會占有相當大市場份額和空間。因此融合互聯將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。

第三是融合管理，未來工業互聯網顯然將要求在一個統一的網絡里進行統一拓撲管理、設備管理、策略管理、業務管理等功能。

工業SDN應用正在形成。近日，中國科學院沈陽自動化研究所借鑒SDN理念在網絡層成功構建了一個扁平化架構。在此架構中，轉入、轉發的網絡設備能以一個融合的形式連接在一起，并通過一個統一的ICT的控制器進行整個網絡統一管理和調度。

未來，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，并利用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，都可以通過北向接口送到控制器，然后由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中。通過這樣的架構，能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。

隨著國家對工業互聯網發展戰略的進一步推進，未來我國工業互聯網產業必將進一步探索面向工業環境的有線無線融合組網以及工業制造領域SDN技術。

針對工業互聯網海量連接、安全可靠等新需求，加快5G、軟件定義網絡(SDN)、網絡功能虛擬化(NFV)等技術創新與應用，不斷提升網絡寬帶接入和傳輸速率，加大力度促進標識解析系統建設，構建支撐跨工廠、跨企業全面信息互聯的關鍵基礎設施。

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NB-IoT：特定場景的連接利器

作為物聯網在工業領域的重要應用，工業互聯網與物聯網有密不可分的關系。

“工業互聯網可以說是物聯網的一部分，但是大多數工業互聯網場景，要求網絡達到毫秒級的端到端時延和100%高可靠性。這意味著，工業互聯網具備物聯網的普遍特征，但卻在時延和可靠性等特性上有高于一般物聯網的要求。”一位不愿具名的工業互聯網資深專家告訴《通信產業報》(網)記者。

與此同時，具備超高可靠、超低時延特性的窄帶物聯網(NB-IoT)也將作為工業互聯網重要連接技術。

據媒體披露，從2018年開始，我國將在推動工業企業內網改造升級的基礎上，在工業領域逐步部署窄帶物聯網(NB-IoT)等先進技術，并以此形成成熟的工業互聯網應用和生產體系。

那么，NB-IoT如何助力工業互聯網?

眾所周知，NB-IoT作為一個空中接口標準，主要是在終端與基站eNB之間的約定，包括物理層與數據鏈路層的一些設計規定，除了能做到低時延和高可靠之外，其主要優勢就是終端功耗低、待機時間長、成本低、覆蓋深度更強、連接數量大。

所以對于低功耗、廣覆蓋、大連接等工業信息采集和控制場景，NB-IoT將成為最適合的連接技術。

正因為NB-IoT的巨大利好，我國也在政策層面推動NB-IoT建設。去年6月，工信部在文件中提出到2017年末，要完結NB-IoT網絡掩蓋直轄市、省會城市等首要城市，基站規劃到達40萬個;到2020年，NB-IoT網絡完結全國遍及掩蓋，面向室內、交通路網、地下管網等使用場景完結深度掩蓋，基站規劃到達150萬個。

與此同時，在NB-IoT核心標準凍結之后，三大運營商均大力推動NB-IoT網絡部署。

據悉，中國聯通在去年完成了NB-IoT核心網建設，計劃將在今年5月份建設30萬個NB-IoT基站個，基本實現全國覆蓋。中國移動也表示將在全國346個主要城市城區實現NB-IoT連續覆蓋。

與此同時，中國電信在也去年宣布已建成全球首個覆蓋最廣的NB-IoT網絡，實現31萬個基站的升級。

顯然，隨著NB-IoT商用步伐的加快，將助推工業互聯網落地。

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TSN：智能工廠的“中央樞紐”

網絡在智能工廠中扮演舉足輕重的角色，各種傳感器和設備機臺都需要通過工業網絡互相鏈接，才能實現智慧工廠的愿景。

在工業企業內網方面，傳統工業現場總線、工業以太網等網絡技術、標準和產品主要集中于少數發達國家。近年來，我國提出了工廠自動化以太網(EPA)、工業過程/工廠自動化無線網絡(WIA-PA/FA)等技術，但產業化和商用水平低。

目前，時間敏感網絡(TSN)、工業軟件定義網絡(SDN)等新技術研究和產業化成為國際產業界關注的新熱點。“既有的工業以太網絡對現有工業設備已綽綽有余，但若是要實現未來工業4.0，以云端服務器控管全球工業系統的愿景，則需倚靠TSN。”某工業企業人士表示。

TSN是Time Sensitive Networking(時間敏感性網絡)的縮寫，是一個IEEE的工作組的項目，其核心技術包括網絡帶寬預留、精確時鐘同步與流量整形，保證了網絡低時延、高可靠性的需求等。

作為底層的通用架構，TSN實現異構性網絡的實時性數據交換，TSN通過一條以太網支持實時控制和同步，例如在運動應用和機器人之間，TSN可以同時支持其他在制造業應用中常見的數據通信。

TSN使得更多企業可以在此架構上實現OT和IT的融合。使得過去人們對于IT與OT連接的各種障礙得以獲得一個清晰而可行的解決之道，最終實現工業互聯，在這個基礎上，大數據應用、人工智能分析等才能被實現。

來自于《控制工程》的報告，時間敏感型網絡的優勢主要有兩個，首先，它基于標準以太網。其次，時間敏感型網絡在任何時候都可以設定速度運行，不會停滯不前。

這項技術必不可少, 因為隨著更多的設備接入網絡, 需要中央“樞紐”來指揮所有的列車并確保它們按時到達正變得越來越重要。

據了解，目前IEEE TSN工作組已完成了實施TSN所需的核心標準, 業界已開發出支持TSN技術的首批產品。

國家儀器日前推出的TSN先期技術平臺，以便長期支持開發同步化與通信作業的全新標準技術。在思科和英特爾的協力合作之下，國家儀器協助客戶打造分布式系統，針對分布式控制與量測循環，執行同步化I/O、程序代碼與精確的通信作業，而這些作業都能在以太網絡上完成。

TSN能夠在標準以太網絡上建立分布式、可同步化的Hard Real-Time系統。這些系統使用同樣的架構執行Real-Time控制與傳遞所有標準信息科技(IT)數據，驅動著控制、量測、設定、人機接口(UI)與檔案交換架構的整合。其網絡整合、安全控制流量與高效能的特性，可能會徹底改變系統的設計與維護。

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工業PON：連接每一個生產單元

作為工業互聯網的重要組成部分，工業無源光網絡(PON)受到了業界的廣泛關注。

所謂的工業PON是應用工業環境的全光PON網絡系統，由一個光線路終端OLT、至少一個光配線網ODN、至少一個光網絡單元ONU組成。

工業PON系統能夠滿足企業的生產控制、工序工藝數據采集、監測、視頻監控等各種應用場景。基于PON技術的工業網絡平臺將產品設計研發、制造生產、銷售、物流、售后各工業化環節融合集成，最終實現企業CRM、MES、ERP、SCM、SCADA等系統信息孤島的統一控制和管理。

正是由于工業PON在工業互聯網中的核心地位，才促使國家從政策層面鼓勵企業開發和運用工業PON。國務院印發的《國務院關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》明確指出，支持工業企業以IPv6、工業無源光網絡(PON)、工業無線等技術改造工業企業內網，以IPv6、軟件定義網絡(SDN)以及新型蜂窩移動通信技術對工業企業外網進行升級改造。

在國家這一政策的有力支撐下，中國電信、中興等產業鏈企業均從各自的優勢出發，推出了一系列工業PON產品和解決方案。

其中，中國電信通過合資企業浙江省公眾信息產業有限公司開發了工業PON網絡系統。而中興與合作伙伴一起推出了工業無源光網絡(PON)2.0解決方案。

據了解，中國電信的工業PON網絡系統是該企業立足于構筑新一代智能通信網，在對傳統工業交換機系統研究基礎之上，結合最尖端的無源光網絡通信技術的發展，創新出的一套安全、可靠、融合、先進的綜合解決方案。目前，中國電信已在江蘇、云南等省份的制造企業成功運用了上述方案。

而中興的工業PON2.0解決方案，是在成熟應用工業PON1.0解決方案基礎上技術升級，實現了標準工業協議兼容、協議容器、多種協議轉換、數據采集、遠程數據接入、安全訪問等功能，IT、CT、OT三網互聯形成一個互通的內網，幫助制造企業快速構建工業4.0扁平化的工廠內神經網絡。除了上述較成熟的解決方案之外，還有更多產業鏈企業有意進軍工業PON領域。

比如，中國聯通就計劃在固網方面，通過工業PON切入到園區內網的解決方案。

國家千人計劃專家、中國聯通大數據首席科學家范濟安博士表示，相比于傳統的以太網，工業PON的連接距離長，抗干擾防污染性強，性能和安全性高等特點，使其在內網的解決方案中具有更強的能力，是智能車間、智能工廠、智能園區必不可少的基礎設施。現在聯通主要針對新建園區、廠房，原有廠房的更新換代等為工業企業提供內網解決方案。

盡管工業PON在工業互聯網中擔負著信息傳輸的重要作用，加之在通用光通信系統中PON技術已經趨于完善，但是各大廠商在工業互聯網領域的PON技術還處于摸索階段，未來仍有加大成長空間。

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標識解析體系：工互的關鍵“神經系統”

“如同DNS在互聯網中的作用一樣，標識解析體系是工業互聯網的關鍵神經系統。”一位深諳工業互聯網領域多年的專家向記者表示。

標識解析體系，作為用于識別和管理物品信息、機器的資源，是整個網絡實現互聯互通的關鍵基礎設施。

目前，國內外存在多種標識編碼及標識解析方案。由于標識編碼尚未統一，中小型企業內部大量使用自定義的私有標識，而涉及流通環節的供應鏈管理、產品溯源等應用模式正在逐步嘗試跨企業的公有標識。

《工業互聯網體系架構1.0》(以下簡稱“白皮書”)指出，標識解析體系可分為兩大發展路徑，改良路徑和變革路徑。

改良路徑仍基于互聯網DNS系統，并適當改進，其中以美國GS1/EPCglobal組織針對EPC編碼提出的ONS解析系統相對成熟。國際上主要的標識解析體系在中國都授權設立了分支機構，如電子標準化院組建的OID注冊中心，物品編碼中心負責國內的EPC編碼分配。

同時，我國也在基于DNS系統積極探索其他改良方案，如中科院計算機網絡信息中心的物聯網異構標識解析NIOT方案，中國信息通信研究院CID編碼體系。

變革路徑采用區別于DNS的標識解析技術，目前主要是DONA基金會提出的Handle方案。其采用平行根技術，實現各國共同管理和維護根區文件，現已在ITU、美、德及我國設置了4個根服務器。

不過，白皮書指出，現有的標識解析體系尚難以滿足工業互聯網的發展需求。這是因為，和互聯網相比，工業互聯網的主題對象來源更為復雜，數據更多，而且敏感信息占得比例也居多。

鑒于這些挑戰，標識解析體系將是一個長期研究的課題。從目前來看，多種標識解析體系將在一定時期內共存。基于改良路徑的方案和基于變革路徑的方案在國內外均已啟動并形成一定規模布局，短期內難以實現標識解析的統一。

白皮書指出，公平對等是標識解析體系的重要發展方向。這是因為，在互聯網時代，DNS的最高管理權掌握在少數國家手中，這種集中化的單邊管理機制既容易受到黑客攻擊，又存在控制權爭議問題。國內外已經提出并開始布局多種新型標識解析體系方案。

中國信息通信研究院技術與標準研究所副總工李海花指出，為避免出現互聯網時代DNS受制于人的情況，我國發展工業互聯網應著力打造標識解析體系。

從頂層設計開始，研究制定標識解析體系的整體架構，確立發展路線圖和時間表，強化統籌領導機制，設立國家管理機構。在系統建設方面，完善根節點，建設國家頂級節點+配套支撐系統，建設各級子解析節點+公共遞歸解析節點。

為加強話語權，我國應該積極參與標識解析體系的國際規則和技術標準制定，此外，從生態層面來說，推動標識解析系統集成創新應用。

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IPv6：承載百億機器接入

IPv6是用于替代現行版本互聯網IP協議(IPv4)的下一代IP協議。隨著“互聯網+”、物聯網和工業互聯網等應用融合發展，全球對IP地址的需求將持續增長。據預測，2020年全球互聯設備數將超300億，而中國IP地址需求可能超過100億。但IPv4僅能提供大約40億左右的網絡地址，難以滿足需求。

除具備龐大的地址空間，IPv6支持終端即插即用，更匹配物聯網終端應用需求;同時，IPv6可實現更高的安全性，是下一代互聯網發展的重要基礎。隨著我國工業互聯網產業的繁榮，IPv6發展將是巨大市場需求帶來的必然結果。

但是，IPv6從1998年由CERNET首次引進中國，至今已滿20年，而目前國內IPv6的用戶數量大約只有2000萬。在“2016全球網絡技術大會(GNTC)”上，中國工程院院士、清華大學教授吳建平曾表示，我國的IPv6發展“起了個大早，趕了個晚集。”

在這一背景下，2017年底中辦、國務院印發《推進互聯網協議第六版(IPv6)規模部署行動計劃》，提出到2018年末，IPv6活躍用戶數達到2億;到2020年末新增網絡地址不再使用私有IPv4地址，IPv6活躍用戶數超過5億;到2025年末，全面完成向下一代互聯網的平滑演進升級。同時構筑IPv6環境下工業互聯網、物聯網、車聯網、云計算、大數據、人工智能等新興領域網絡安全保障能力。

可以預見，大力發展基于IPv6的下一代互聯網，有助于提升我國網絡信息技術自主創新能力和產業高端發展水平，高效支撐移動互聯網、物聯網、工業互聯網、云計算、大數據、人工智能等新興領域快速發展，不斷催生新技術新業態，促進網絡應用進一步繁榮，打造先進開放的下一代互聯網技術產業生態。

 摘自《國際金屬加工網》