邬贺铨院士:工业互联网的网络技术

发布时间:2020-08-30 16:00    来源:机经网

关键词:工业互联网 邬贺铨 中国工程院 网络技术

摘要:2020年8月29日上午,由工业和信息化部、北京市人民政府主办的2020工业互联网大会在线上开幕。大会以“赋能·融通·创新 为新工业革命筑基”为主题。工业互联网战略咨询专家委员会副主任、中国工程院院士邬贺铨从物理层、链路层、网络层三方面剖析了工业互联网的网络技术。,并且指出跟工业互联网更高的要求相比,网络技术还面临不少挑战,网络技术的创新还在路上。

  尊敬的各位领导、各位专家、各位来宾,大家好,很高兴来参加2020工业互联网大会,我的发言题目是“工业互联网的网络技术”。

  从三个方面来说明,一个是物理层技术,第二是链路层技术,第三是网络层技术。

  先看看工业互联网对通信的要求,我这里列出了一些工业互联网的应用,包括机器视觉、机器人、生产线控制、车联网、数字孪生。我从四个方面来看它的性能,高带宽、低时延、大连接、高可靠,可以看到有几类应用对四个方面都有要求。尤其是低时延方面,对高可靠的5G空口延时,要求低于0.5ms,而正常移动宽带要求是4ms。为什么有这个要求,这里举了电力继电保护在继电器之间的信号传输,以及我们电机与可编程逻辑控制器之间的信号传输。发包周期有些都要求小于1ms甚至0.25ms,所以延时要求是很严格的。不仅仅是空口延时,还有端到端的延时,也需要控制,这里面需要核心网来协同。除了低延时在一些工业互联网的应用,很多时候还要求确定性的延时,也就是说抖动要控制在很准确的范围以内。高可靠也是工业互联网一个特色的应用,现在要求工业互联网可靠性可能要高达99.9999%,这里面我们用什么办法保证?一般在终端切换时,我们希望先接后离,也就是同时接两个小区,免得中间过程中短使中断。还有通过多路复用,冗余的办法来保证可能性。除了空口,也同样需要核心网的支撑。

  先说工业互联网的物理层技术。

  首先可以用无源光网络,无源光网络除了室分复用以外,我们还可以用波分复用,这个图显示了这个技术是比较成熟的,在工业互联网应用也没有什么难题。还需要用无线技术,因为工厂里有些时候不太容易布放光纤,另外工厂里有很多工件、机器人是活动的,所以需要无线联网。过去我们的无线技术,因为稳定性、扩展性这些要求不够高,很难满足工业的应用需要,一般来讲无线技术的工业应用现在来看比例也就4%左右。而5G能很好适应这个应用,5G在工厂里的应用有几种模式,工厂自己建一个独立的5G网络,或者基站部分是用运营商的,管控部分用企业的,甚至基站和管控接入部分全都交给运营商。这几种模式都是可能的,企业内网的无线技术,5G可以是主要的,当然对于有些工业互联网,4G也可以,甚至WIFI6也可以。企业外网也需要使用无线技术,5G本身也是为工业互联网设计的,企业可以租用运营商的网络,以网络切片方式来提供VPN虚拟专网。但是5G面向消费者的应用,TDD模式里,下行容量是大的,上行容量是小的。而工业上的应用是相反的,可能更多的传感器要上报。两者不一样的TDD配置,如果在同一个运营商网络时,需要有一定的保护隔离,不然会互相干扰。现在一些提出来,我需要申请专用的频率,来自建一个5G的专网,可以实现灵活的按需配置,TDD的上下行时隙不需要考虑公网TDD上配对的兼容问题。而建一个5G的企业专网需要有专用频率,欧洲现在测算至少要给76MHz,德国分配100MHz。这个图表现出TDD的两种分配模式,上一种是面向消费者,下行多、上行少,下一种是面向工业的。除了用5G,我们可以用WIFI6,WIFI6现在也升级了,带宽比较高。原来WIFI6用在2.4GHz频段和5GHz频段,好处是不需要授权,但是问题是不授权的频率会有干扰,将来WIFI6的使用需要考虑干扰的问题。

  工业互联网物理层和工业物联网的问题,工业物联网是工业互联网和物联网的交集,也是工业互联网一个重要的支柱。现在可以看到常用的NB-IoT是在2G时代就可以做了,3G时代也可以做,它是窄带的,带宽能力250Kbps。现在5G的出现,扩展了NB-IoT的应用,5G可以用载波聚合,能实现高带宽的物联网,做到100Mbps的信道容量。另外5G也可以通过空口带宽切片,把100100MHz分成很多子载波,也可以做到支撑大连接,也就是一平方公里100万个传感器联网。大企业当然也可以用LoRa等等技术,但是5G是一个很适合的技术,一般企业租用运营商的5G公用网络不需要再建别的网络。另外通过5G可以发现,有力的促进人工智能跟物联网的融合。传统的物联网感知数据要通过网络回传到后台大数据人工智能分析。因为过去的网络带宽不足、时延比较大,因此人工智能的决策反馈亏到执行,可能错过了最有利的时机。现在5G来了,大带宽、低时延、高连接,这样的效率使得人工智能和物联网无缝融合,AI+IoT,我们把它叫AIoT智联网。更进一步,我们把人工智能的芯片和人工智能物联网的模块,还有把操作系统、软件也放在一起,这样可以实现很好的前端的智能,适用于超高清摄像头、机器人、无人机等。甚至还可以在物联网的终端嵌入区块链的能力,来保障物联网设备的接入认证、数据加密这些要求。

  第二个讲讲工业互联网链路层的技术。

  从数据收集到工业控制之间,我们需要通过企业的内网,过去企业的内网一种形式是现场总线,现在用得比较多,比较简单,但是国际标准化有十多种,碎片化、兼容性差、时延无保证。通用性比较好的是以太网,办公以太网不适应工业应用,所以工业以太网要从高速、交换、同步机制三个方面来改善以太网,提高可靠性。对于自动化程度要求很高的工业网络,工业以太网的时延还是不够的,需要发展到时延敏感网络。右图是工业以太网的一个例子。

  什么叫时延敏感网络,还是一个工业以太网的架构,它在第二层引入了时延敏感标签序列的模型,这里面有个时隙,可以用时隙表达它承载的IP包究竟是高优先权还是低优先权。网络可以根据这个来判别这个时延,高优先权的可以先走,实际上是一种资源服务质量等级化的处理。这里大家看到的是TSN标准化的演进,它是802系列里的演进。TSN的原理是什么,这个图上第一号帧是低优先权的,没有别的帧传的时候它就可以传了,但是在他没有传完之前,高优先权的二号帧、三号帧来了,所以它们要抢占一号帧的时隙先传,传完以后再把一号帧来传。实际上是高优先权的帧占据了低优先权的传输的位置,用这种方式来保障高服务质量的要求。TSN可以承载在5G上透过去的,可以将5G和TSN很好的结合。

  除此之外,链路层还有一些需要改进的以适应工业互联网的需要。我们过去常用的是VPLS(虚拟局域网服务),通过VPLS组件一个隧道,可以把多个局域网打通。但是有个缺点,它是基于MPLS的,它有配置的N2平方的问题,而且效率比较低,并且需要在运营商的边缘路由器建立全连接。现在新的技术,链路层技术是EVPN(以太网虚拟专网),把我们原来在链路层控制的一些功能转到控制面去控制,因此就不需要在MAC层上用泛宏的办法来建立连接,提高了效率,减少了网络资源消耗。

  第三个讲讲工业互联网的网络层技术。

  过去互联网我们是一个无连接的,实际上是逐包选路,同一个IP流,不管它是不是到同一个目的地,各个包独立选路的,每个路由器也是独立选路的。这种方式鲁棒性比较好,但是效率比较低。现在我们希望用分段路由,我们通过软件定义网控制器,计算好全网端到端的路由,并且下发到源端,源端收到指令,比如204,告诉R路2由器下一步到R路4,R路4收到405,就是下一步到5。这样一段一段,路由器只是个执行的问题,这样可以减少路由器重新选路的时延,可以支撑工业互联网低时延的应用。

  分段路由有两种技术,一种是基于MPLS的,一种是基于IPv6的,基于MPLS也可以做到隧道,但是它里面是依靠路由器与路由器之间的信令来转达下一跳怎么走。这里面比较复杂,可扩展性比较差。基于IPv6的源选路是基于SDN的集中控制,而且下发到源端路由器,每一个中间路由器是靠IPv6来传递,因此中间路由器并不需要和周边的路由器进行信令交互,大大简化了这个过程。底下这个图形象的表达了MPLS是每一段每个路由器之间要重新选路的,而SRv6是端到端的确定了路由。

  IPv6怎么支撑SRv6,这里大家看的是IPv6的宝头,地址很多,这是我们常规说的IPv6有很多地址,但是IPv6地址只是做地址用吗?不是的,IPv6还有扩展的分段路由,这里面中间我们把它叫标签件,这里面装的都是IPv6的地址,实际上我们已经把它用途转变了,它除了标识终端路由器,还可以标识接口、节点、链路和VPN。我们利用SRv6,放在IPv6扩展包头里的标签件里,利用它来传递下一跳需要走的路由,这样在整个IPv6里,一个分段编码就是个IPv6的地址,一串的IPv6地址,把它变成一个端到端的路由。比如这个图上,首先SRv6器收集了全网的信息,然后根据用户的需求,我们设计了端到端的路由,从SRv6控制器下发到源端路由器,源端路由器装载了所有分段的路由,每一段只要打开IPv6的包,就可以发现应该转发到哪里了。这种方式有什么好,即便故障了它也上报到SRv6控制器,可以重新给你选择另外一条路由。这种方式的好处是,可以组织SRv6的TE流量工程,这里面可以选择一条满足用户业务特性的需求信道。第二可以组织VPN,可以通过它来组织网络切片。第三可以组播,既然可以选一条路由,实际上也可以选多条路由,可以点到点的路由都选择,支持组播。另外可靠性比较高,刚才这个图上看到,它有故障可以倒换,倒换的路由可以预先选定,甚至我们可以同时组织几条多路由冗余传输,很好的保证它更高的可靠性。

  SRv6也有些难题,一个是它本身需要硬件的升级,另外如果端到端的路由整个标签件的厚度深度是比较大,是不是可以考虑分几段来组织。还有SRv6本身IPv6的包长有很多开销,现在说把它用到网络上,我们希望压缩包头,这里可以看到用短包头,这样就可以实现更好的效果了。

  现在从运营商的角度还有些难题,现在IP包里只有源地址、目的地地址、源端口号、目的端口号和协议类型五个方面,它可以决定路由,但是它并不知道传输业务的特征要求,虽然过去用深度包检测DPI能检测,但是效率比较低,运营商因为不了解用户的业务,所以往往用轻载的防身,这实际上是比较耗费资源的。运营商不能了解用户的需求,只能一个简单的管道,没办法提供差异化服务。现在IPv6的出现,可以实时把应用的状态反映出来,这里面我们看到一个标签件128比特,前80比特我们可以表现App、用户号、业务需求,后面48比特可以定义业务的带宽需求、延时要求、抖动等等。这里面相当于我们可以把业务的需求详细定义了,未来还可以进一步发展更丰富的定义。

  除此之外,感知网络也有难题。一是主机操作系统要升级,另外也有安全性的问题,假如用户随意定义,是不是要多占网络资源?另外有没有可能用户的定义在中间被恶意篡改。这里有更高的安全性要求,我们现在在这上面也做了一些考虑。除此之外,在IPv6上还要实现随流检测,所谓随流检测是我要实时判断这个业务在传输过程中它的服务质量怎么样。服务质量的要求不是放在控制面,而是放在数据面来承载,它可以检测丢包、时延,甚至可以记录中间走过哪些路径。这里面有些挑战,检测协议不能太复杂了,否则要占用网络的资源和开销;测量的结果,我们不能把原始结果全部上报,需要做一些分析归纳,对用的数据包的遥测可能会伴随隐私泄露和安全性的问题,这里面也需要考虑。

  工业客户主要跟外部联系,通过公众互联网用切片,这也很好,服务质量不一定能很好保证。另一种是通过物理专线,物理专线不但成本高一点,也不是随时可以提供的,所以这还是个难题。现在比较好的应用,软件定义的广义网,可以根据客户需求走公众互联网物理专线。难题是运营商习惯于物理专线固定租给客户,你不能随便变,而客户是要求随时随地的变化。

  现在怎么办,把SRv6跟软件定义广义网结合,我们通过这个图可以看到,正常情况下有个缺省的路径,但是如果我们需要低时延,我们可以有另一条路径,如果需要高带宽,我们也有高带宽的路径。通过这个结合,可以很好满足客户的要求。

  怎么解决运营商和客户之间的矛盾,我们有个意图引擎,基于APN6来理解客户的需求,转化成业务质量服务的定义,可以指导网络设计。根据收到的引擎,我们把网络设计转变为网元级配置,就是网络切片,通过随流检测来发现我们的运行状态,再来修改智能引擎,这样很好市面到用已退可以执行,而网络运营商也并不一定把所有的网络设施、拓扑结构都告诉用户。

  5G跟现有通信网络可以支持大多数企业的工业互联网的应用。但一些企业的工业互联网对通信网络有一些特殊的性能要求。而且业务管理上,工业互联网对通信网也有新的期待,工业互联网能促进通信网络的物理层、链路层、网络层的创新。这种创新现在已经在做了,而且IPv6实际上还有可编程的空间有待进一步开发。不过跟工业互联网更高的要求相比,网络技术还面临不少的挑战,网络技术的创新还在路上。

  谢谢大家。

  (注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)

(责编:yangbo)
全部评论0条评论
精彩评论

辽中亿发张国军:只要选对产品年年都是旺季

张国军,今年40岁,2010年成立了辽中县亿发农机有限公司。据悉,张国军早在2010年以前就一直从事农机销售工作,但是那时候主要以单缸机等小型农机具为主。随着对农机补贴的逐渐加码,国内农机市场得到快速发展,农机产品也从小型逐渐向中大型发展。张国军正是看到了这个形势,2010年开始转战中大型农机具市场。