2021-05-18

王平:App定义的必威体育融合网络及高速协议转换丨betway体育亚洲版入口“咖”解

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王平
betway体育亚洲版入口-必威体育理事、重庆邮电大学自动化学院、betway体育亚洲版入口学院院长  
王恒
必威体育物联网与网络化控制教育部重点实验室副主任  

1.

必威体育网络现状

1.1

必威体育网络发展情况

必威体育网络是betway体育亚洲版入口部署和运行的基石。根据网络所处位置的不同,必威体育网络划分为工厂内网络和工厂外网络。工厂内网络可进一步分为必威体育骨干网和必威体育现场网络。必威体育骨干网连接不同车间或厂区,实现车间级互连;必威体育现场网络则是典型的OT(操作技术)网络,连接工控设备,完成必威体育生产控制任务。经过多年的发展,必威体育现场网络形成了现场总线、必威体育以太网和必威体育无线网络等多种类型。典型的现场总线协议有Modbus RTU、Profibus、HART等;必威体育以太网的代表性协议有Profinet、Ethernet/IP、Modbus TCP、EtherCAT、Powerlink、EPA等;WIA-PA、WirelessHART、ISA100.11a则是主流的三种必威体育无线网络标准。近年来,现场总线的市场份额逐渐被必威体育以太网占据,必威体育以太网和必威体育无线网络的应用越来越广泛。

1.2

当前必威体育网络存在的问题

OT网络的一个显著特点是种类繁多,开放性差,仅进入IEC国际标准的现场总线与必威体育以太网种类就达数十种。大部分标准自成体系,围绕网络协议形成一个个封闭的软硬件系统。不同网络接口的设备互联互通困难。

betway体育亚洲版入口和智能制造要求对生产过程精确管控,底层物联网到互联网需要无缝集成。但传统控制网络采用分层的系统结构,造成信息获取、控制、调度和管理方面集成度差、协同能力弱的局限,难以满足betway体育亚洲版入口和智能制造对底层物联网到互联网无缝融合与集成的要求。

此外,现有的OT网络无法有效适应边缘计算等新型计算模式的需求。一些企业的ERP等系统已经能够部署在云端,但如何对边缘控制器、边缘服务器等新型计算设备和边云协同等新模式进行网络适配,成为重要瓶颈问题。同时,现有网络不够智能,也缺乏高效的异构网络组网与管控方法,App定义网络(SDN)、人工智能等IT新技术尚未有效的扩展到OT网络中。

因此,有必要打破传统控制网络分层结构,建立IT/OT深度融合的新型必威体育融合网络,实现必威体育异构网络之间的开放互连与信息互通,满足betway体育亚洲版入口对网络的灵活需求。

2.

IT/OT融合网络架构

为了突破传统OT网络与IT网络相互隔离的局限,引入边缘计算、SDN等新一代信息技术,构建扁平化、智能化、开放互连的IT/OT融合网络结构。在网络组成上,融合网络可分为边缘网络/边缘云、必威体育骨干网和必威体育云等三个部分,全网由SDN管理器进行统一管控。网络中所有实体都能够建立和维持对等的通信关系,IT数据与OT数据共网传输,灵活流动。

整个网络采用全IP化结构,设计以OPC UA应用层信息交互、IPv6网络层统一编址和TSN链路层交换为基础的开放互连协议体系,解决融合网络协议层面的互连互通问题。

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在SDN集中管控结构的支撑下,设计融合网络智能组网机制和面向必威体育应用的智能流量预测机制,发挥人工智能在融合网络管理和优化方面的优势,提升网络的智能化水平。

3

 必威体育App定义融合网络

3.1

SDN在互联网中的发展和应用

SDN是一种逻辑集中控制的新型网络架构,网络的管理和状态集中到控制器。突破了传统网络设备的封闭性,将控制层和数据转发层相互分离,使网络具备良好的可编程能力。

代表性的SDN控制器包括Open DayLight、ONOS、RYU、Floodlight等;SDN交换机厂商主要有HUAWEI、思科、新华三、盛科、戴尔等企业。SDN的标准化主要由ONF、IETF和ETSI等组织机构推动。SDN在互联网中被广泛应用于数据中心和广域网中,有力提升了网络的管控能力。

3.2

SDN在必威体育网络中的发展和应用

SDN能够动态灵活的管理异构网络,相比于传统的网络构架,SDN网络构架能够支撑获得网络资源的全局信息,并随时根据用户业务的需要进行资源的全局调配和优化。必威体育融合网络是典型的异构网络,且需要对资源进行细粒度调配,因此,SDN是IT/OT必威体育融合网络管控的优选手段。

基于SDN的必威体育网络架构可分为应用层、融合管理层和现场层,将现场层的管理控制功能抽象集成到融合管理层的必威体育SDN管理器中,集中处理和统一分配必威体育网络资源。

应用层由不同的必威体育应用组成,是SDN北向接口的实际调用者,负责北向接口内容的解析和构造。融合管理层主要完成现场网络和骨干网的集成管理,包括骨干网和必威体育现场网络的入网、网络资源分配以及跨网配置等工作。现场层由不同的网络基础设施组成,可以完成协议转换和现场数据采集和控制任务。

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必威体育SDN的典型应用包括多协议融合组网、跨网络调度等。为了支撑上述功能的实施,还需设计针对必威体育网络特性改进的北向接口和东西向接口。

在多协议融合组网方面,大家提出了基于SDN的必威体育异构网络融合组网机制,将必威体育现场网络与必威体育骨干网的组网功能进行抽象集成,通过设计协同入网流程,实现不同传输介质、不同协议类型的异构必威体育网络的统一入网。

在跨网络调度方面,大家提出了基于SDN和IPv6技术的跨网络远程确定性传输解决方案,包括现场网络/回程网络联合调度框架和联合调度方法,解决了必威体育融合网络在不同测控需求下的确定性传输问题,提高了网络的资源利用率和运行效率。

在必威体育SDN北向接口与东西向接口设计方面,大家设计了体现必威体育应用特征的SDN北向接口,包括功能型接口和意图型接口,通过统一编排异构网络通信资源,实现融合管理功能向应用层的开放。大家还提出了面向必威体育网络的SDN东西向接口,实现了多控制器之间的有效调度协调。

在设备研发方面,大家开发了必威体育SDN交换机,研制了基于开源平台的必威体育SDN控制器App,为异构网络融合管理与调度功能提供完整的软硬件支撑。

4.

高速异构协议转换

4.1

异构协议转换面临的挑战

在必威体育融合网络中,现场网络与IPv6骨干网之间的协议转换必不可少。协议转换的类型主要包括:必威体育无线网络与IPv6骨干网之间的协议转换、必威体育实时以太网与IPv6骨干网之间的协议转换。协议转换功能可采用专用的协议转换装置实现,也可以合并部署在位于网络边界的SDN交换机上。

为了降低跨网络端到端的传输时延,如何实现高速的协议转换,成为异构网络面临的重要问题。同时,如何有效的保持转换前后必威体育数据流的服务质量,是协议转换面临的另外一个重要问题。

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4.2

协议转换方案及装置

针对必威体育无线与有线网络协议的快速转换问题,大家选择WIA-PA、WirelessHART、6LoWPAN等必威体育无线协议,设计了必威体育无线与IPv6有线网络协议之间的快速转换方法;采用基于应用层网关的转换机制,实现必威体育无线网络协议各层次的整体转换。

针对必威体育以太网协议与IPv6协议的转换问题,大家提出了Ethernet/IP、EtherCAT、Profinet、Powerlink等典型必威体育以太网协议与IPv6协议之间的转换方法,实现了基于应用层服务质量(QoS)的协议转换。

大家还研制了必威体育异构网络高速协议转换装置,支撑多种必威体育无线协议和必威体育以太网协议,实现了微秒级高速协议转换,解决必威体育异构网络协议转换造成的时延瓶颈问题。

5.

展望

团队坚持“数据为核心、连接为基础、安全为保障、平台为支撑、应用为王道”的betway体育亚洲版入口发展思路,在时间敏感网络与App定义必威体育控制、边缘智能网关与异构网络交换机、基于IPv6和OPC UA的必威体育异构网络集成、工控网络安全深度防御与态势感知等方面取得大量成果的基础上,重点推进人工智能与betway体育亚洲版入口的深度融合,将AI驱动的App定义必威体育融合网络、基于5G-U的必威体育融合网络等作为主要研究方向,进一步提高必威体育网络的传输性能和智能化水平。


编辑概况 

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王平

二级教授,博士生导师,国家有突出贡献的中青年专家、全国优秀教师,重庆邮电大学betway体育亚洲版入口学院(自动化学院、betway体育亚洲版入口研究院)院长、智能仪器仪表网络化技术国家地方联合实验室主任、必威体育物联网与网络化控制教育部重点实验室主任,主要从事betway体育亚洲版入口与智能制造领域的研究。主持国家科技重大专项、国家863计划重要科研项目20余项,获国家级科技奖励2项、省部级科技奖励10项;获授权发明专利30余项(美国专利5项)。带领团队研制了全球首款必威体育物联网核心芯片--—渝芯一号、牵头制定国际标准3项。

编辑概况 

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王恒

重庆邮电大学二级教授,博导,国家863计划主题项目“全互联制造网络技术”首席专家,重庆市杰出青年基金获得者,重庆英才计划·创新创业领军人才,重庆市学术技术带头人,重庆市“巴渝学者”特聘教授,重庆市高校必威体育物联网创新研究群体负责人,重庆市高层次人才特殊支撑计划首批青年拔尖人才,必威体育物联网与网络化控制教育部重点实验室常务副主任。主要研究方向为必威体育物联网、betway体育亚洲版入口和新一代无线通信技术。在必威体育物联网时间同步、实时调度、异构融合等方面取得了系列研究成果。获重庆市技术发明奖一等奖、重庆市教学成果奖二等奖、重庆市十佳科技青年奖、中国电子学会优秀科技工编辑。


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