工業網際網路內外網的技術與應用分析

3月17日，首屆“2021算網融合產業發展論壇”在北京如期召開，中國資訊通訊研究院標準所教授級高工段世惠發表了題為《關於工業網際網路內外網應用技術的考慮》的主題演講。

▲中國資訊通訊研究院標準所教授級高工 段世惠

(一)工業網際網路發展概述

在經歷了機械化、電氣化、自動化的轉型發展之後，全球的工業製造正在經歷新一輪的變革——數字化、網路化、智慧化。段世惠表示，“我國錯過了第一、第二次工業革命，趕上了第三次工業革命的末尾，成為了工業經濟大國，但還不是強國。”

工業網際網路是第四次工業革命的重要基石，提倡“現代工業”和“新一代資訊通訊技術”的深度融合，為實現數字化、網路化、智慧化提供了現實路徑。工業網際網路透過實現人、機、物等的全面互聯，構建起全要素、全產業鏈、全價值鏈、全面連線的新型工業生產製造和服務體系。

2017年11月27日，國務院釋出了《關於深化“網際網路+先進製造業”發展工業網際網路的指導意見》，形成規範和指導我國工業網際網路發展的綱領性檔案。2018年6月7日，工信部印發《工業網際網路行動計劃(2018-2020年)》。目前，已完成網路、平臺、安全三大體系的政策佈局。

上海、廣東、浙江、江蘇、四川等近30個省、自治區、直轄市已出臺或即將出臺本地區的發展政策，各地結合自身產業實踐，疊加優勢企業資源，探索形成特色發展路徑，叢集化發展效應也在逐步顯現。央地協同，上下聯動，“全國一盤棋”的發展格局已形成。

經過三年起步期的發展，我國工業網際網路步入實踐深耕階段。產業發展環境持續最佳化、基礎設施加速推進、融合應用走深向實，產業規模持續增長，對經濟社會的發展的帶動效應顯著增強，形成戰略引領、規劃指導、政策支援、技術創新、產業推進良性互動的局面。

在網路建設方面，高質量外網已覆蓋全國374個地級行政區，接入企業超12萬家，覆蓋率達89.7%。在平臺體系方面，我國初步構建起涵蓋研發創新、生產製造、運維管理、產業資源整合等的多層次平臺發展體系。在安全建設方面，國家級工業網際網路安全態勢感知平臺覆蓋面積不斷擴大，對接21個省級平臺，覆蓋9萬家工業企業。

在工業網際網路體系架構2.0裡，網路功能是基礎。基於資訊模型的互通互操作成為支撐多源異構資料流轉整合的核心;多方式、多QoS、智慧化的網路互聯是實現融合泛在互聯的關鍵;“標識-解析-資料-應用”構成標識功能分層，實現“跨企業-跨行業-跨國家”標識資料管理和共享。

段世惠認為，“在工業網際網路體系架構2.0的實施階段，可以分為產業層、企業層、邊緣層。”在邊緣層，以工業乙太網為主，TSN等新網路打破眾多協議制式間的技術壁壘;在企業層，採用高速乙太網及TCP/IP，IT網路與OT網路逐步融合;在產業層，工業外網路目前仍基於普通網際網路與高質量專線部署為主。

(二)工業網際網路內網發展狀況及問題

三級兩層的網路架構存在諸多問題，包括：IT、OT技術異構、網路隔離，生產資訊截止在車間級，工廠IT系統無法充分獲取工廠OT系統資料和資訊;OT系統採用預先組態的方式，且主要採用固定網路連線，靈活性不足;OT系統本身結構複雜，網路層級複雜，技術不開放;

傳統工業網路要麼不能相互相容，要麼不能與標準乙太網裝置整合，很難滿足工業控制系統的實時確定性要求;傳統工業乙太網缺乏時鐘同步機制、頻寬預留等管理機制，資料分組優先順序等過濾機制，從而無法為應用提供時延和抖動的服務質量(QoS)保障，傳統的網路只能將端到端的時延減少到幾十毫秒。

工業4.0時代，工廠內網路的需求主要有：

• OT網路的乙太網/IP化：用統一的技術體系實現IT到OT的融合和資訊系統對生產現場的資訊採集;

• 無線技術在工廠內的廣泛應用：利用無線技術實現廠內的泛在連線，消除工廠內的“資訊死角”;

• 工廠的扁平化組網：減少網路層級，減少不同網路層次間的“資訊損失”，實現資料分析與決策的快速反饋;

• 工廠的靈活組網：打破生產過程剛性組織的侷限，實現基於定製需求的柔性生產和資源組織。

段世惠表示，“未來的工廠網路可能會越來越少，甚至有可能會集中在一張網上。如果用一張網的技術，能夠承載不同業務需求的業務網。現在，大家公認的底層網路就用TSN，它可能是未來十年一統江湖的技術。”

TSN(時間敏感網路)是IEEE 802.1工作組正在研究制定的一系列標準。作為統一工業乙太網標準，TSN成為業界共識的工控通訊網路向1G介面演進的解決方案;有IEC制定多個工業乙太網標準，轉變為由IEEE802制定唯一標準;IETF、IEC等多個標準組織基於TSN制定統一標準體系。

同時，TSN改變了原有工業控制網路應用支撐能力差的弱點，實現“網路+控制”向“網路+控制/應用”的轉變。但是，TSN也存在著許多應用難題。在國內，CNC/CUC未產品化，還是手工作業，大規模組網暫時不可能;現有存量工業乙太網種類繁多，TSN暫時不可能一統天下;雖然業界對TSN的熱情很高，但是實際應用很少;現有網路改造不可能一蹴而就。

(三)工業網際網路外網發展狀況及問題

企業透過IT系統與網際網路融合、OT系統與網際網路融合、服務與網際網路融合、企業專網與網際網路融合四個模式上雲。企業資訊化典型場景對於工廠外網的技術需求，包含工業實體的網際網路接入需求，跨區域之間的互聯與隔離需求，工業網路與混合雲互聯的需求，工業網際網路對廣域承載網路的差異化需求(QoS、安全/保護等)。

為實現網路多租戶及使用者資源定製能力，基礎設施/裝置需要支援網路功能虛擬化(NFV)，從裝置層面實現資源虛擬化;網路層面需要透過SDN技術理念，實現控制和承載分離;網路控制與編排層面需要支援透過API向使用者開放網路能力。為支援海量裝置接入(多為無線方式)，需要5G和IPv6的部署。目前看來，5G+基於SDN/NFV的骨幹網路是工業網際網路的發展方向。

隨著智慧工廠的發展，各機器之間透過交換彼此的資訊，或者使用超級控制器來描繪網路拓撲結構以及各種狀態資訊。工廠內網需要建立在IP網路之上，並且滿足確定性時延和抖動，以及遠端控制的要求。

目前的工業控制網路主要侷限在區域網的範圍，不能滿足跨區域網、多實時邊緣網路互連的確定性業務傳輸需求，而傳統的MPLS VPN專線與基於OTN的光網專線僅僅能夠滿足一般性的業務需求。IETE的DetNet工作組目前正在解決這個問題。

DetNet(確定性網路)目標是在第二層橋接和第三層路由段上，實現確定傳輸路徑，這些路徑可以提供時延、丟失分組和抖動的最壞情況界限，以此提供確定的時延。與TSN相比，DetNet的工作範圍更加廣泛，透過MPLS/IP技術，以期實現三層的確定性傳輸。

(四)5G與TSN融合

2018年底，中央經濟工作會議指出，“加快5G商用步伐，加速人工智慧、工業網際網路、物聯網等新型基礎設施建設。”2020年2月21日，中央政治局會議強調，要推動5G網路、工業網際網路等加快發展;2020年3月4日，中央政治局常委會作出加快新型基礎設施建設進度的重要部署;2020年政府工作報告提出，擴充5G應用，發展工業網際網路。

2020年11月20日，習近平總書記在向“2020中國5G+工業網際網路大會”賀信中指出，當前，全球新一輪科技革命和產業變革深入推進，資訊科技日新月異。5G與工業網際網路的融合將加速數字中國、智慧社會建設，加速中國新型工業化程式，為中國經濟發展注入新動能，為疫情陰霾籠罩下的世界經濟創造新的發展機遇。

“5G+工業網際網路”政策體系不斷最佳化完善。截至目前，近20個省市明確對“5G+工業網際網路”方向的政策支援，並充分利用現有工業網際網路、單項冠軍、首臺(套)重大技術裝備、技術改造、智慧製造等資金政策進行支援。

近兩年來，工業無線保持30%的高速增長，佔據6%的工業網路新增市場。從全球工業網路市場整體發展情況看，目前工業無線的佔比正在爬升，將領跑下一代工業網路的爆發式增長。

5G技術低時延、高可靠、大連線的特性，彌補了傳統無線技術可靠性、連線範圍的不足，將使無線技術由工業網路偶爾的補充，成長為工廠內網重要的組成部分，為工業網際網路發展注入新活力。

新中國成立70週年，工業通訊業發展情況釋出會上，工信部苗圩部長指出：5G真正的應用場景，80%應該是用在物與物的通訊，如工業網際網路、車聯網、遠端醫療等領域。

“5G+工業網際網路”融合應用從輔助環節向核心生產環節滲透，應用型別從大頻寬主導向多型別方向發展。典型的十大應用場景有：工業設計、輔助裝配、裝置協同、精準操控、視覺檢測、資料採集、遠端維護、智慧物流、無人巡檢、安全監控。

5G與TSN融合部署，正在成為產業界關注的焦點。二者的融合模式有三種：無縫銜接(TSN over 5G)，端到端TSN化的5G、承載網融合(5G over TSN)。其中，端到端TSN化的5G是大家公認的模式。

然而，5G與TSN融合部署也面臨著重重挑戰。時間同步問題，二者同步機制不一樣，精度存在差異;工業現場部署環境，TSN規模商業尚需時日;低延時、低抖動，無線側是實現端到端確定性的關鍵;終端-終端直接通訊，存在場內裝置之間的直接通訊。

5G TSN的低時延低抖動實現(5G自有技術)：採用延時關鍵可保障位元速率(Delay Critical GBR)、切片、使用者面功能(UPF)下沉分流等技術來降低傳輸的時延，然後再結合時延敏感通訊輔助資訊(TSCAI)、保持和轉發機制等消除抖動。

5G與TSN系統的時鐘同步機制協同。在5G時鐘域中，gNB從5G GM獲取時鐘後，可以將時鐘傳遞給UE和UPF，實現5G系統內的高精度時鐘同步。

其中，UE可透過與gNB之間的Uu口的RRC訊息實現時鐘同步，UPF通常可採用IEEE 1588規範實現與gNB之間的時間同步;在TSN時鐘域中，TSN時鐘域內網元同步於TSN GM，並基於IEEE 802.1AS規範來實現域內的時間同步。

5G LAN技術首次在行動網路中引入終端組管理的概念，支援組內終端直接通訊。在TSN-5G融合的R17研究報告中，提出在同一VN group的UE間透過相同的UPF直接通訊，因此可重用5G LAN的機制。當前，滿足如下條件的DS-TT/UE可以直接進行5G TSN的通訊。

(五)發展建議

2020年12月22日，工業和資訊化部發布了《工業網際網路創新發展行動計劃(2021-2023年)》。新型基礎設施進一步完善，覆蓋各地區、各行業的工業網際網路網路基礎設施初步建成，在10個重點行業打造30個5G全連線工廠。

推進企業內網升級，支援工業企業運用新型網路技術和先進適用技術改造建設企業內網，探索在既有系統上疊加部署新網路、新系統，推動資訊科技(IT)網路與生產控制(OT)網路融合。

開展企業外網建設，推動基礎電信企業提供高效能、高可靠、高靈活、高安全的網路服務。探索雲網融合、確定性網路、IPv6分段路由(SRv6)等新技術部署。

深化“5G+工業網際網路”。支援工業企業建設5G全連線工廠，推動5G應用從外圍輔助環節向核心生產環節滲透，加快典型場景推廣，探索5G專網建設及運營模式，規劃5G工業網際網路專用頻率，開展工業5G專網試點。