從5G 2C到5G 2B 工業(yè)互聯(lián)網呼喚新型 5G 2B 架構

  ICC訊 6月17日，第五屆未來網絡發(fā)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(yè)內網及與OT(操作技術)融合的需要。我們需要開發(fā)新型5G to B架構，支持企業(yè)網低時延、高可靠、高安全的應用。

  5G與工業(yè)互聯(lián)網均存在誤區(qū)

  針對社會上對于5G賦能千行百業(yè)的議論，鄔賀銓指出5G與工業(yè)互聯(lián)網的發(fā)展均存在誤區(qū)。目前工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展存在的誤區(qū)主要體現(xiàn)在兩個方面。

  頭重腳輕：回避垂直行業(yè)企業(yè)現(xiàn)場數(shù)據難采集問題而主攻企業(yè)大腦和平臺，但企業(yè)大腦只是匯集底層統(tǒng)計數(shù)據和外部數(shù)據，對實時性要求不高，車間級直接對生產過程控制的企業(yè)小腦更為重要。

  避重就輕：受限于現(xiàn)場級工控設備的協(xié)議開放性，不從機器聯(lián)網做起，企業(yè)小腦也無數(shù)據可挖掘。

  同樣，5G在工業(yè)互聯(lián)網的應用也存在兩點誤區(qū)。

  重外輕內：企業(yè)的機器數(shù)據和傳感器數(shù)據基本不出企業(yè)網，但現(xiàn)在過分關注建設跨企業(yè)的標識系統(tǒng)和高質量的企業(yè)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(yè)內網及與OT融合的需要。5G全連接工廠并不現(xiàn)實。目前，5G主要應用在現(xiàn)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(yè)現(xiàn)場級、過程監(jiān)控與生產管理級和網絡與業(yè)務應用級展開了詳細介紹。

  企業(yè)現(xiàn)場級主要有兩種模式：可編程邏輯控制器(PLC)和5G工業(yè)模組及基站。

  PLC采用可編程存儲器，通過輪詢現(xiàn)場級各端口開關量、數(shù)字量和模擬量，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)、算術運算等操作命令，控制各類機器和生產過程。但由于各廠家標準不同導致標準碎片化，不同廠家的設備不能兼容。

  5G工業(yè)模組可以連接移動終端。工業(yè)互聯(lián)網5G基站的建設又分為三種：一是企業(yè)共享運營商建設的5G基站與核心網。核心網用戶面功能(UPF)下沉到企業(yè)，5G工業(yè)模組登記在公網，數(shù)據不會離開企業(yè)去運營商處，不用擔心數(shù)據安全問題。二是企業(yè)共享運營商建設的基站但自建核心網，5G工業(yè)模組登記注冊和數(shù)據均在內網。三是企業(yè)申請專用頻率自建基站和核心網，基站可集成UPF及5GC等功能，更安全可控及低時延。

  總的來說，PLC模式采用的是主從架構，周期性分時輪詢，是OT模式，缺點在于標準碎片化;5G工業(yè)模組是扁平化的，用的是傳統(tǒng)標準以太網協(xié)議，適用非周期數(shù)據，采用統(tǒng)計復用機制，優(yōu)點是實現(xiàn)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(yè)現(xiàn)場級TSN基于時鐘同步、數(shù)據調度、可靠性機制等技術，通過在標準以太網第2層的時隙引入優(yōu)先等級標簽，允許高優(yōu)先級幀搶占低優(yōu)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(xiàn)TSN over 5G。在TSN之上可以承載各種現(xiàn)場級工控協(xié)議。支持周期性與非周期性數(shù)據同傳，從而實現(xiàn)鏈路層上支持IT與OT融合。

  在過程監(jiān)控與生產管理級，SCADA起著關鍵作用。SCADA位于管理調度層，采集監(jiān)控現(xiàn)場級數(shù)據，接受事件驅動，提供人機接口，實現(xiàn)告警處理、報表輸出及可視化、動態(tài)模擬等。但本身和PLC協(xié)議開放性均不足，需針對性配置參數(shù)與應用程序才能實現(xiàn)PLC與SCADA通信。上位機的操作系統(tǒng)大都采用Windows，與底層不同，因此需與底層OT融合。

  網絡與業(yè)務應用級采用基于IPv6的網絡層。IPv6可實現(xiàn)真實源地址溯源，并留有很大的編程空間，可開發(fā)更多的功能。首先是APN6(應用感知網)，應用感知功能，傳統(tǒng)的IPv4只支持選路，并不知道IP包承載的是什么業(yè)務，現(xiàn)在IPv6包可以定義業(yè)務服務質量，網絡感知業(yè)務需求。其次是iFIT(隨流檢查)，過去信道檢測是個難題，往往只能事后離線檢測，iFIT能夠將OAM指令嵌入用戶報文IPv6包，可實現(xiàn)丟包、時延等分段檢測。最后，通過IPv6可以采用SRv6分段路由，在IPv6擴展頭中指定流量轉發(fā)路徑，支持低時延、組播、快速倒換和并發(fā)冗余傳輸，實現(xiàn)高可靠性。SRv6有望成為端邊云網統(tǒng)一的簡化通信協(xié)議。

  網絡與業(yè)務應用級基于OPC-UA的應用層，OPC-UA是過程控制對象連接與嵌入協(xié)議，適用于多種硬件平臺，也兼容多種軟件平臺，是一個翻譯器。OPC-UA over TSN打通了從傳感器到云，將IT和OT在語義層面互通。

  高起點工業(yè)互聯(lián)網呼喚新型5G to B架構

  目前，我國機械行業(yè)80%的設備仍采用傳統(tǒng)的繼電器和接觸器進行控制，尚未使用工控系統(tǒng)產品。已用的大中型產品中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，且不少屬于相關制造商的專有方案，協(xié)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，原有的工控產品難以支持。此外，很多工控產品已使用十多年。

  鄔賀銓提出，要開發(fā)新型工控設備，高起點建設工業(yè)互聯(lián)網?，F(xiàn)在邊緣計算、5G工業(yè)模組、智聯(lián)網、區(qū)塊鏈、IPv6、TSN等技術發(fā)展迅猛，將這些技術集成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、智能化發(fā)展，推動機器聯(lián)網，盤活生產線數(shù)據。

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

  5G to C的網絡架構可以用到部分企業(yè)網，但對大中型企業(yè)來說并非科學合理的模式。5G to B 需要輕型網絡架構，可采用5G專網或公網上邏輯切片方式支持5G to B的新架構。

  最后，鄔賀銓做出了以下四點總結：一是傳統(tǒng)基于現(xiàn)場級工控設備的工業(yè)互聯(lián)網層級多、標準碎片化、IT/OT融合困難、網絡安全性低。

  二是5G不僅為工業(yè)互聯(lián)網的現(xiàn)場級增加了可供選擇的接入模式，而且在5G工業(yè)模組基礎上融合新一代信息技術的新型工控網關，將推動工業(yè)互聯(lián)網扁平化、IP化、無線化，展現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網的新格局，也可開拓5G工業(yè)應用新空間。

  三是5G to C的架構并不都適合5G to B的企業(yè)應用場景，需要深入研究企業(yè)網絡的需求，開發(fā)新型5G to B架構，支持企業(yè)網低時延、高可靠、高安全的應用。

  四是開發(fā)5G to B新架構和新型5G工控網關需要加強產學研用合作，立足創(chuàng)新，明確需求標準起步、試點推進、形成產業(yè)，支撐我國工業(yè)高質量可持續(xù)發(fā)展。