邬贺铨:5G to C架构并不都适合5G to B,需开发新型5G to B 架构

2021年6月17日,第五届未来网络发展大会在南京盛大召开。在下午的高峰论坛上,中国工程院院士邬贺铨给大家分享了《从5G 2C到5G 2B》。

邬院士指出,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。

同样的,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 2C的架构直接搬到5G 2B,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。

邬院士介绍,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:1) 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到运营商,不用担心数据安全问题。2)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。3)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工业模组模式是扁平化的,用的传统的标准以太网协议,适用非周期数据,统计复用机制,好处是实现了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。

邬院士从企业现场级、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,通过在标准以太网的第2层的时隙引入优先等级的标签,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。另外通过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。

邬院士提出,要开发新型工控设备高起点建设工业互联网。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PLC95%、小型PLC75%、DCS49%、高端SCADA 70%全都来自国外,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90年代末仅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。

现在边缘计算、5G工业模组、智联网、区块链、IPV6、TSN等技术发展迅速,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,邬院士做出了以下四点总结。

1)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。
2)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、无线化实现IT/OT的无缝融合,展现工业互联网的新格局,也开拓5G工业应用新空间。
3)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。
4)开发5G 2B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。


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kk_wu 发表于21-06-17
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