学习进行时| 庆祝建党100周年| 党史学习教育| 人民邮电报|

从5G 2C到5G 2B 工业互联网呼唤新型 5G 2B 架构

发稿时间: 2021-06-30 09:28 来源:人民邮电报 作者:达涌 2021-06-30

6月17日,第五届未来网络发展大会在南京召开。在下午的高峰论坛上,中国工程院院士邬贺铨做了题为《从5G 2C到5G 2B》的主题演讲。他指出,将5G to C的架构直接搬到5G to B,不适应企业内网及与OT(操作技术)融合的需要。我们需要开发新型5G to B架构,支持企业网低时延、高可靠、高安全的应用。

5G与工业互联网均存在误区

针对社会上对于5G赋能千行百业的议论,邬贺铨指出5G与工业互联网的发展均存在误区。目前工业互联网发展存在的误区主要体现在两个方面。

头重脚轻:回避垂直行业企业现场数据难采集问题而主攻企业大脑和平台,但企业大脑只是汇集底层统计数据和外部数据,对实时性要求不高,车间级直接对生产过程控制的企业小脑更为重要。

避重就轻:受限于现场级工控设备的协议开放性,不从机器联网做起,企业小脑也无数据可挖掘。

同样,5G在工业互联网的应用也存在两点误区。

重外轻内:企业的机器数据和传感器数据基本不出企业网,但现在过分关注建设跨企业的标识系统和高质量的企业外网。

以外替内:将5G to C的架构直接搬到5G to B,不适应企业内网及与OT融合的需要。5G全连接工厂并不现实。目前,5G主要应用在现场级且多为机器视觉类视频传送,尚未进入主流应用。

三种应用级别要求各不相同

邬贺铨从企业现场级、过程监控与生产管理级和网络与业务应用级展开了详细介绍。

企业现场级主要有两种模式:可编程逻辑控制器(PLC)和5G工业模组及基站。

PLC采用可编程存储器,通过轮询现场级各端口开关量、数字量和模拟量,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算等操作命令,控制各类机器和生产过程。但由于各厂家标准不同导致标准碎片化,不同厂家的设备不能兼容。

5G工业模组可以连接移动终端。工业互联网5G基站的建设又分为三种:一是企业共享运营商建设的5G基站与核心网。核心网用户面功能(UPF)下沉到企业,5G工业模组登记在公网,数据不会离开企业去运营商处,不用担心数据安全问题。二是企业共享运营商建设的基站但自建核心网,5G工业模组登记注册和数据均在内网。三是企业申请专用频率自建基站和核心网,基站可集成UPF及5GC等功能,更安全可控及低时延。

总的来说,PLC模式采用的是主从架构,周期性分时轮询,是OT模式,缺点在于标准碎片化;5G工业模组是扁平化的,用的是传统标准以太网协议,适用非周期数据,采用统计复用机制,优点是实现了OT和IT的融合,缺点是不能保证时延,所以往往需要TSN来支撑。

企业现场级TSN基于时钟同步、数据调度、可靠性机制等技术,通过在标准以太网第2层的时隙引入优先等级标签,允许高优先级帧抢占低优先级帧的传输时间以保证低时延。TSN作为虚拟局域网可以实现TSN over 5G。在TSN之上可以承载各种现场级工控协议。支持周期性与非周期性数据同传,从而实现链路层上支持IT与OT融合。

在过程监控与生产管理级,SCADA起着关键作用。SCADA位于管理调度层,采集监控现场级数据,接受事件驱动,提供人机接口,实现告警处理、报表输出及可视化、动态模拟等。但本身和PLC协议开放性均不足,需针对性配置参数与应用程序才能实现PLC与SCADA通信。上位机的操作系统大都采用Windows,与底层不同,因此需与底层OT融合。

网络与业务应用级采用基于IPv6的网络层。IPv6可实现真实源地址溯源,并留有很大的编程空间,可开发更多的功能。首先是APN6(应用感知网),应用感知功能,传统的IPv4只支持选路,并不知道IP包承载的是什么业务,现在IPv6包可以定义业务服务质量,网络感知业务需求。其次是iFIT(随流检查),过去信道检测是个难题,往往只能事后离线检测,iFIT能够将OAM指令嵌入用户报文IPv6包,可实现丢包、时延等分段检测。最后,通过IPv6可以采用SRv6分段路由,在IPv6扩展头中指定流量转发路径,支持低时延、组播、快速倒换和并发冗余传输,实现高可靠性。SRv6有望成为端边云网统一的简化通信协议。

网络与业务应用级基于OPC-UA的应用层,OPC-UA是过程控制对象连接与嵌入协议,适用于多种硬件平台,也兼容多种软件平台,是一个翻译器。OPC-UA over TSN打通了从传感器到云,将IT和OT在语义层面互通。

高起点工业互联网呼唤新型5G to B架构

目前,我国机械行业80%的设备仍采用传统的继电器和接触器进行控制,尚未使用工控系统产品。已用的大中型产品中95%的PLC、75%的小型PLC、49%的DCS、70%的高端SCADA都来自国外,安全漏洞令人担心,且不少属于相关制造商的专有方案,协议不开放。一个典型工厂的控制点在20世纪90年代末仅有5万个,到2030年将增加到55万个,原有的工控产品难以支持。此外,很多工控产品已使用十多年。

邬贺铨提出,要开发新型工控设备,高起点建设工业互联网。现在边缘计算、5G工业模组、智联网、区块链、IPv6、TSN等技术发展迅猛,将这些技术集成进新型可信工控网关势在必行。工厂内网要推进IT与OT无缝融合,朝着扁平化、IP化、智能化发展,推动机器联网,盘活生产线数据。

除此之外,还要开发适应企业网特点的网络架构。公众网核心网的控制平台离终端比较远,下行业务带宽高,而企业网核心网是下沉到企业,主要业务终结在车间,而且往往上行要求高,对时延敏感,企业网本身很重视安全和可靠性,不能简单靠切片来保障,需考虑多信道冗余并发,但需设置多AP点等以保证多信道不受干扰。

5G to C的网络架构可以用到部分企业网,但对大中型企业来说并非科学合理的模式。5G to B 需要轻型网络架构,可采用5G专网或公网上逻辑切片方式支持5G to B的新架构。

最后,邬贺铨做出了以下四点总结:一是传统基于现场级工控设备的工业互联网层级多、标准碎片化、IT/OT融合困难、网络安全性低。

二是5G不仅为工业互联网的现场级增加了可供选择的接入模式,而且在5G工业模组基础上融合新一代信息技术的新型工控网关,将推动工业互联网扁平化、IP化、无线化,展现工业互联网的新格局,也可开拓5G工业应用新空间。

三是5G to C的架构并不都适合5G to B的企业应用场景,需要深入研究企业网络的需求,开发新型5G to B架构,支持企业网低时延、高可靠、高安全的应用。

四是开发5G to B新架构和新型5G工控网关需要加强产学研用合作,立足创新,明确需求标准起步、试点推进、形成产业,支撑我国工业高质量可持续发展。

新闻附件:

五一特别视频|他们是谁?

相关新闻