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工業網際網路呼喚新型 5G 2B 架構

發佈時間: 2021-06-30 | 來源: 人民郵電報 | 作者: 達涌 | 責任編輯: 王琦

6月17日,第五屆未來網路發展大會在南京召開。在下午的高峰論壇上,中國工程院院士鄔賀銓做了題為《從5G 2C到5G 2B》的主題演講。他指出,將5G to C的架構直接搬到5G to B,不適應企業內網及與OT(操作技術)融合的需要。我們需要開發新型5G to B架構,支援企業網低時延、高可靠、高安全的應用。

5G與工業網際網路均存在誤區

針對社會上對於5G賦能千行百業的議論,鄔賀銓指出5G與工業網際網路的發展均存在誤區。目前工業網際網路發展存在的誤區主要體現在兩個方面。

頭重腳輕:回避垂直行業企業現場數據難採集問題而主攻企業大腦和平臺,但企業大腦只是匯集底層統計數據和外部數據,對實時性要求不高,車間級直接對生産過程式控制制的企業小腦更為重要。

避重就輕:受限于現場級工控設備的協議開放性,不從機器聯網做起,企業小腦也無數據可挖掘。

同樣,5G在工業網際網路的應用也存在兩點誤區。

重外輕內:企業的機器數據和感測器數據基本不出企業網,但現在過分關注建設跨企業的標識系統和高品質的企業外網。

以外替內:將5G to C的架構直接搬到5G to B,不適應企業內網及與OT融合的需要。5G全連接工廠並不現實。目前,5G主要應用在現場級且多為機器視覺類視頻傳送,尚未進入主流應用。

三種應用級別要求各不相同

鄔賀銓從企業現場級、過程監控與生産管理級和網路與業務應用級展開了詳細介紹。

企業現場級主要有兩種模式:可編程邏輯控制器(PLC)和5G工業模組及基站。

PLC採用可編程記憶體,通過輪詢現場級各端口開關量、數字量和模擬量,執行邏輯運算、順序控制、定時、計數、算術運算等操作命令,控制各類機器和生産過程。但由於各廠家標準不同導致標準碎片化,不同廠家的設備不能相容。

5G工業模組可以連接移動終端。工業網際網路5G基站的建設又分為三種:一是企業共用運營商建設的5G基站與核心網。核心網用戶面功能(UPF)下沉到企業,5G工業模組登記在公網,數據不會離開企業去運營商處,不用擔心數據安全問題。二是企業共用運營商建設的基站但自建核心網,5G工業模組登記註冊和數據均在內網。三是企業申請專用頻率自建基站和核心網,基站可整合UPF及5GC等功能,更安全可控及低時延。

總的來説,PLC模式採用的是主從架構,週期性分時輪詢,是OT模式,缺點在於標準碎片化;5G工業模組是扁平化的,用的是傳統標準乙太網協議,適用非週期數據,採用統計復用機制,優點是實現了OT和IT的融合,缺點是不能保證時延,所以往往需要TSN來支撐。

企業現場級TSN基於時鐘同步、數據調度、可靠性機制等技術,通過在標準乙太網第2層的時隙引入優先等級標簽,允許高優先級幀搶佔低優先級幀的傳輸時間以保證低時延。TSN作為虛擬局域網可以實現TSN over 5G。在TSN之上可以承載各種現場級工控協議。支援週期性與非週期性數據同傳,從而實現鏈路層上支援IT與OT融合。

在過程監控與生産管理級,SCADA起著關鍵作用。SCADA位於管理調度層,採集監控現場級數據,接受事件驅動,提供人機介面,實現告警處理、報表輸出及可視化、動態模擬等。但本身和PLC協議開放性均不足,需針對性配置參數與應用程式才能實現PLC與SCADA通信。上位機的作業系統大都採用Windows,與底層不同,因此需與底層OT融合。

網路與業務應用級採用基於IPv6的網路層。IPv6可實現真實源地址溯源,並留有很大的編程空間,可開發更多的功能。首先是APN6(應用感知網),應用感知功能,傳統的IPv4隻支援選路,並不知道IP包承載的是什麼業務,現在IPv6包可以定義業務服務品質,網路感知業務需求。其次是iFIT(隨流檢查),過去信道檢測是個難題,往往只能事後離線檢測,iFIT能夠將OAM指令嵌入用戶報文IPv6包,可實現丟包、時延等分段檢測。最後,通過IPv6可以採用SRv6分段路由,在IPv6擴展頭中指定流量轉發路徑,支援低時延、組播、快速倒換和併發冗余傳輸,實現高可靠性。SRv6有望成為端邊雲網統一的簡化通信協議。

網路與業務應用級基於OPC-UA的應用層,OPC-UA是過程式控制制對象連接與嵌入協議,適用於多種硬體平臺,也相容多種軟體平臺,是一個翻譯器。OPC-UA over TSN打通了從感測器到雲,將IT和OT在語義層面互通。

高起點工業網際網路呼喚新型5G to B架構

目前,我國機械行業80%的設備仍採用傳統的繼電器和接觸器進行控制,尚未使用工控系統産品。已用的大中型産品中95%的PLC、75%的小型PLC、49%的DCS、70%的高端SCADA都來自國外,安全漏洞令人擔心,且不少屬於相關製造商的專有方案,協議不開放。一個典型工廠的控制點在20世紀90年代末僅有5萬個,到2030年將增加到55萬個,原有的工控産品難以支援。此外,很多工控産品已使用十多年。

鄔賀銓提出,要開發新型工控設備,高起點建設工業網際網路。現在邊緣計算、5G工業模組、智聯網、區塊鏈、IPv6、TSN等技術發展迅猛,將這些技術整合進新型可信工控網關勢在必行。工廠內網要推進IT與OT無縫融合,朝著扁平化、IP化、智慧化發展,推動機器聯網,盤活生産線數據。

除此之外,還要開發適應企業網特點的網路架構。公眾網核心網的控制平臺離終端比較遠,下行業務頻寬高,而企業網核心網是下沉到企業,主要業務終結在車間,而且往往上行要求高,對時延敏感,企業網本身很重視安全和可靠性,不能簡單靠切片來保障,需考慮多信道冗余併發,但需設置多AP點等以保證多信道不受干擾。

5G to C的網路架構可以用到部分企業網,但對大中型企業來説並非科學合理的模式。5G to B 需要輕型網路架構,可採用5G專網或公網上邏輯切片方式支援5G to B的新架構。

最後,鄔賀銓做出了以下四點總結:一是傳統基於現場級工控設備的工業網際網路層級多、標準碎片化、IT/OT融合困難、網路安全性低。

二是5G不僅為工業網際網路的現場級增加了可供選擇的接入模式,而且在5G工業模組基礎上融合新一代資訊技術的新型工控網關,將推動工業網際網路扁平化、IP化、無線化,展現工業網際網路的新格局,也可開拓5G工業應用新空間。

三是5G to C的架構並不都適合5G to B的企業應用場景,需要深入研究企業網路的需求,開發新型5G to B架構,支援企業網低時延、高可靠、高安全的應用。

四是開發5G to B新架構和新型5G工控網關需要加強産學研用合作,立足創新,明確需求標準起步、試點推進、形成産業,支撐我國工業高品質可持續發展。