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我們梳理一下網(wǎng)絡技術或者互聯(lián)網(wǎng)的主流通信技術發(fā)展的歷程，從100年前剛出現(xiàn)模擬和數(shù)字傳輸開始一直到現(xiàn)在我們有如此方便快捷高效穩(wěn)定互聯(lián)網(wǎng)的技術。

中科院李棟：工業(yè)SDN網(wǎng)絡關鍵技術與測試床

李棟：感謝海花總，各位嘉賓大家好，我來介紹一下工業(yè)SDN關鍵技術與測試床的相關內(nèi)容。我的報告分三個部分，首先介紹一下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡技術發(fā)展的脈絡，由此引出我們?yōu)槭裁葱枰I(yè)互聯(lián)網(wǎng)這樣的網(wǎng)絡，然后給大家簡單介紹一下這個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構和一些相關的關鍵技術。最后，我會花大一點的篇幅結合我們在AII里面成功跟生產(chǎn)相關的測試床，給大家介紹工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡具體的內(nèi)容。

我們梳理一下網(wǎng)絡技術或者互聯(lián)網(wǎng)的主流通信技術發(fā)展的歷程，從100年前剛出現(xiàn)模擬和數(shù)字傳輸開始一直到現(xiàn)在我們有如此方便快捷高效穩(wěn)定互聯(lián)網(wǎng)的技術。在這個過程中我看到出現(xiàn)了一個從市場體量來說非常小的分支就是工業(yè)網(wǎng)絡。可以說所有工業(yè)網(wǎng)絡到目前為止全部是由商用網(wǎng)絡或者由互聯(lián)網(wǎng)這樣的主流技術發(fā)展而來的。但是為什么我們不能夠直接使用主流的商用網(wǎng)絡技術？一定在工業(yè)里面提出一些新的技術，提出一些跟主流不同甚至不兼容的技術。原因就是在于我們中間劃了一道線，商用網(wǎng)絡本身具有比較強的非確定性。工業(yè)領域我們更強調(diào)確定性或者說實時性或者說是確定性的實時，確定性的可靠，我們更關注這樣的內(nèi)容。

簡單梳理一下商用網(wǎng)絡發(fā)展歷程，可以發(fā)現(xiàn)在這個過程中商用網(wǎng)絡不斷的提高帶寬滿足用戶對吞吐量方面的需求。在這個過程中其實是建立在一個理論統(tǒng)計復用的理論基礎之上，帶寬越多、資源越多、用戶的需求得到滿足的概率就越大，但是并不會達到百分之百。他并不能夠保證每時每刻每一個業(yè)務都能夠滿足用戶的需求。

由此產(chǎn)生了工業(yè)網(wǎng)絡技術，傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡技術是在IEEE802.3以太網(wǎng)技術成熟之后，工業(yè)網(wǎng)絡借鑒了以太網(wǎng)的幀結構。因為當時以太網(wǎng)的核心是CSMA/CD機制，天然會帶來網(wǎng)絡部確定性。很多廠商所有主流做工業(yè)自動化的廠商都在標準以太網(wǎng)的基礎之上做了他們自己相應的改變，將CSMA機制改變，用什么樣的機制，一定會把它改掉，時分、輪詢、令牌、集總幀等機制避免競爭，可以給CSMA網(wǎng)絡帶來確定性，保證實時性要求。隨著實時性等級不同，可以將現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)技術分為三類，他們是對實時性保障級別是各有不同的。

剛才提到因為不同的廠商根據(jù)自己的工業(yè)控制領域不同的要求，比如運動控制和自動化控制，其實他在實施性的要求是不同。針對不同的需求設置不同的網(wǎng)絡協(xié)議，研制不同的網(wǎng)絡技術，進一步造成了網(wǎng)絡之間其實很難相互兼容和互聯(lián)。現(xiàn)在的方式是我們用了一個往往是通過網(wǎng)關的形式，形成多個網(wǎng)絡之間的互聯(lián)，能夠做一個比較簡單的數(shù)據(jù)的流通。但是這個過程中因為要做大量的應用層的適配，數(shù)據(jù)一定要到應用層里面甚至說因為工業(yè)以太協(xié)議的數(shù)量、復雜程度太多，使得我們很難將兩兩協(xié)議都完全適配起來，形成一個完全打通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的狀況。

因此無論是國內(nèi)還是國外在發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的時候，都面臨著網(wǎng)絡相互割裂，嚴重影響了網(wǎng)絡互聯(lián)效應這樣的問題。同時也都提出了我們能不能用同一張網(wǎng)絡，能不能構建扁平化的網(wǎng)絡，使用相同或者類似網(wǎng)絡設備將所有工業(yè)控制方面設備和服務于工業(yè)控制的管理和IT業(yè)務的設備全部連接起來。

因此我們提出來在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的工廠內(nèi)網(wǎng)里面正在向著一個ITOT融合趨勢發(fā)展，我們總結一下一個ITOT融合的網(wǎng)絡應該具備的功能。首先是融合接入，這個網(wǎng)絡應該能夠接受工業(yè)以太網(wǎng)的專有協(xié)議和標準以太網(wǎng)的通用協(xié)議都可以插到這個網(wǎng)絡里面，都可以通過這個網(wǎng)絡進行統(tǒng)一接入。第二是融合的互聯(lián)，因為目前我們?nèi)匀槐Ａ舸罅楷F(xiàn)有工業(yè)控制網(wǎng)絡的系統(tǒng)，原有系統(tǒng)和原有生態(tài)里面，原來專有的網(wǎng)絡協(xié)議仍然會占有相當大的市場份額和空間。這里面這個網(wǎng)絡需要支持融合互聯(lián)，能夠支持標準以太網(wǎng)協(xié)議相互之間的互聯(lián)，也支持工業(yè)以太網(wǎng)專有之間的互聯(lián)。因為我們使用同一張網(wǎng)絡，這個網(wǎng)絡管理角度來說，我能夠看到這個網(wǎng)絡里面所有流量，能夠看到這里面所有設備。我有理由能夠做一個統(tǒng)一融合的管理，可以進行統(tǒng)一拓撲管理、設備管理、策略管理、業(yè)務管理等等現(xiàn)在網(wǎng)絡管理應該做的東西都可以在這個統(tǒng)一的網(wǎng)絡里面來進行完成。

為了實現(xiàn)這樣一個ITOT融合的網(wǎng)絡，我們借鑒SDN的理念，在網(wǎng)絡層構建一個扁平化架構，這些轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡設備他們其實相互平等，他們是以一個融合的形式連接在一起。這里會有一個統(tǒng)一的ICT的控制器，由這個控制器進行整個網(wǎng)絡統(tǒng)一管理和調(diào)度。所有用于工業(yè)生產(chǎn)的IT和OT設備，全都能接入這樣的網(wǎng)絡中來。這樣的網(wǎng)絡里面，他們的核心，因為說他連接了原有IT和OT設備，網(wǎng)絡本身就既要保證IT業(yè)務、高帶寬、高吞吐量的需求，又要滿足OT的需求，這是這個網(wǎng)絡組合需要解決的問題。這樣的網(wǎng)絡中，我們之所以借鑒了SDN的架構，我們看到我們可以利用SDN的北向接口跟工業(yè)控制系統(tǒng)相關聯(lián)，系統(tǒng)會產(chǎn)生什么樣的通訊的需求，有多大的通信量，有什么樣的實時和可靠性的要求，可以通過北向接口送到控制器這邊來，控制器掌握所有調(diào)度和管理，生成策略下發(fā)到扁平化的交換機里面去。通過這樣的架構，極大的提高網(wǎng)絡擴展性和靈活性，又能保證現(xiàn)有的ITOT業(yè)務的需求。

從技術角度主要的思路是說我們在任何一個網(wǎng)絡都有控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面的分離，這套系統(tǒng)里面轉(zhuǎn)發(fā)面主要負責數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)，承載數(shù)據(jù)流，按照相應策略進行轉(zhuǎn)發(fā)。控制面我們設計相應的網(wǎng)絡模型計算一共有多少資源，現(xiàn)在的業(yè)務占去多少資源，還剩下多少資源。有一個新的業(yè)務請求，通過北向接口到我網(wǎng)絡里來之后，我通過什么樣的策略在現(xiàn)有網(wǎng)絡資源情況下能夠進行承載。能承載，我會聲稱相應的策略。如果不能承載，要顯示通知相應的業(yè)務提出方，你的需求我無法滿足，你的業(yè)務不要上線。這是我們在工業(yè)領域非常愿意接受這樣一套模式。

由于時間關系，我的技術方面不多說，這里簡單結合我們測床軟件定義可重構智能制造驗證示范平臺來給大家介紹一下這個平臺的情況。這個平臺中間的一層網(wǎng)絡核心就是我剛才提到的工業(yè)網(wǎng)絡。這個測試床提出的背景是這樣的，隨著消費理念不斷升級，現(xiàn)在很多行業(yè)尤其是跟消費者關系比較大的電阻家電更偏零售業(yè)行業(yè)越來越面臨個性化定制的需求。我生產(chǎn)一個產(chǎn)品，產(chǎn)品定型、上市到被淘汰的時間越來越快，如果這個廠商不能很快的跟上新的潮流，不能跟上新的IP，不能有新的熱點產(chǎn)品出現(xiàn)，這個廠商在市場上的生存率生存幾率很低。這個過程中我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的自動化的生產(chǎn)線，它的自動化水平越高、效率越高，當我要對它進行改變的時候，當我要做一個新的產(chǎn)品，要做這個產(chǎn)品的工藝和各方面調(diào)整的時候，它轉(zhuǎn)變的速度就越慢。在這個過程中要添加大量的人工操作，使得耗時非常長。我們希望整個，相應如果說我們原來生產(chǎn)線里面是大量的人工，雖然說我們效率會低一些，但是當我這個生產(chǎn)會發(fā)生改變的時候，轉(zhuǎn)場進行個性化定制的時候，人的效率，人的柔性是很好的。

我們面臨問題既要提升自動化率，既要在整個生產(chǎn)過程當中減少人的干預，從事又要保證怎樣快速實現(xiàn)新的訂單，適應新的產(chǎn)品，適應新的產(chǎn)品的生產(chǎn)是我們面臨的一個主要的問題。因此整個測試床是面向個性化需求，產(chǎn)品更新?lián)Q代比較快的離散制造業(yè)。怎樣設計一套新的生產(chǎn)系統(tǒng)，包括對設備編程，網(wǎng)絡，軟硬件系統(tǒng)，通過一整套的改變?nèi)ブ胃叨榷ㄖ苹a(chǎn)的產(chǎn)品會快速而且是規(guī)模化生產(chǎn)。

傳統(tǒng)現(xiàn)有制造流程從設計到最后的產(chǎn)品生產(chǎn)是串形的過程。如果我要發(fā)生改變，從機械結構、工業(yè)網(wǎng)絡、管控軟件，包括自動化軟件從各個方面進行更改，我的調(diào)整周期會很長。造成這樣長周期根本的原因，我們認為現(xiàn)在的自動化系統(tǒng)PIC的編程模式類似匯編的架構，修改難度比較大，代碼和相關的部件的自用率比較低我們構建一個軟件定義的平臺，這個平臺中中間這層是網(wǎng)絡，這層是基于SDN的ITOT融合的網(wǎng)絡，下面連接各種制造設備，上面將云、MES、CPS統(tǒng)一在同一個網(wǎng)絡之上，解決上下之間軟件層面和硬件層面之間以及上下南北和東西向的數(shù)據(jù)交互非常的靈活便利。同時我們將原本應該是沉淀于設備本身，設備端很多自動化控制相關的功能，將這部分代碼進行孵化和智能化封裝，將原本應該在底層PIC層面進行控制調(diào)度這樣的操作，全部提交到CPS管控軟件。我們將原來很多匯編級做的事情放到高一層的層面來做極大的提高整個系統(tǒng)的效率。這個過程中我使用更高級的語言，整個系統(tǒng)的實時性和可靠性，這里我們會設計相應的技術去解決遇到的各種問題。

通過這樣的系統(tǒng)，我們可以實現(xiàn)這樣的場景，這是我們?nèi)齻€場景之一。當我的訂單發(fā)生變化的時候，比如我原來的生產(chǎn)是這樣，我的訂單有兩倍的時候，我的生產(chǎn)線會自動發(fā)現(xiàn)我產(chǎn)生瓶頸的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，是一個打磨的環(huán)節(jié)。我會有一個自動，承載打磨的裝置，隨時加入到系統(tǒng)的生產(chǎn)過程中來，解決瓶頸的工藝效率。當我高峰訂單過去之后，可以撤去，可以支撐這樣動態(tài)的變化的調(diào)整。這樣的過程中，需要網(wǎng)絡支撐自動化系統(tǒng)的重構，需要其中的軟件支持重構，需要上面的各種應用系統(tǒng)支持它的重構。

通過這樣的測試床我們能夠?qū)崿F(xiàn)個性化定制產(chǎn)品的快速、規(guī)模化生產(chǎn)，控制系統(tǒng)編程復雜度降低90%。測試床也受到了各級領導的廣泛重視，也得了一些獎。

我的匯報到此結束，謝謝大家。

摘自 中國信息通信研究院