1  引言

工业互联网是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的全新工业生态、关键基础设施和新型应用模式，通过人、机、物的全面互联，实现全要素、全产业链、全价值链的全面联接，将推动形成全新的工业生产制造和服务体系。

工业互联网本质是在全面深度互联基础上，以数据为核心的智能化闭环，包括网络、数据和安全三大技术板块。网络是实现工业互联网的基础，包括网络互联、标识解析、应用支撑三大体系；数据是工业企业业务关注的重点，包括“采集交换-集成处理-建模分析-决策与控制”等；安全是工业/产业互联网各个领域和环节的安全保障，包括设备安全、控制安全、网络安全、应用安全等。

按需要支撑的业务的地理范围，工业互联网包括工业园区网络、工厂网络、互联网等。

根据ITU-T Y.4208，边缘计算是在靠近数据源处为业务提供所需的计算、存储、智能、网络等资源。

传统上，强大的计算、存储、网络、智能等资源以云的方式部署在互联网中。云计算按需提供给工业企业，能够大大降低工业企业购置计算、存储、网络等资源的成本。但是云计算一般部署在互联网中，从工业企业的数据产生地到云计算数据中心，需要依靠接入网、承载网、互联网等多域网络，时延、网络传输可靠性等指标不能满足工业企业的某些业务需求，如远程控制、基于视频流的交互类操作等。此外，工业企业对将工业数据存储在云服务供应商的云服务器里，也有信息安全等方面的顾虑。

本文所研究的工业园区网络技术聚焦工业园区边缘计算业务需求，并重点侧重端边协同网络难题。

2  工业互联网网络框架

图1是工业互联网网络框架，从网络互联的角度看，园区网络处于现场网络和互联网之间，并靠近现场网络的各种终端和设备。

图1 工业互联网网络框架

现场网络的终端和设备大体可以分为执行器、感知器、视频终端。

互联网中资源丰富，包括计算和存储资源几乎不受限的云计算数据中心、可支持从名称到地址解析的工业互联网标识解析系统等社会基础设施类资源，也包括归属私有主体的各种数据资源，如终端/设备信息等。

互联网能为办公类信息共享、大数据分析等提供有力支撑，但是无法直接为园区和现场的业务提供使能。

边缘计算伴随着工业4.0等工业互联网战略目标存在，一直是业内的关注热点。将云资源从互联网拉回到园区，形成边缘云。大体上，边缘云需要处理两类业务，一类是处理从工业现场采集来的多种数据，如分析产品质量、对生产过程进行监测等，另一类是需要根据采集到的感知数据对执行器进行远程控制。第一类边缘云业务对网络传输时延、可靠性等性能不敏感。第二类边缘云业务不论对网络传输还是有关的OT技术都有较大挑战，是边缘计算的研究重点。

从工业现场的终端/设备到园区边缘云，涉及到的网络包括现场网络、园区接入网、园区承载网等。实现现场网络与园区接入网、园区承载网协同，端到端保障从现场终端/设备到边缘云的网络性能指标是边缘计算有关网络的目标。实际情况下，因工业现场网络往往由工业装备以及工业装备之间的私有连接、私有协议以及专有业务流程决定，碎片化和封闭是工业现场网络的特点。这一特点使得园区网络技术的发展变得更加复杂，产业推进也较为缓慢。

举例来说，以实现现场网络统一承载为目标的TSN，在实际的推进发展中就遇到TSN与现场终端/设备对接较为困难的问题。如果TSN能为现场网络提供北向统一承载，将大大有利于园区网络与现场网络对接，并能有力促进从现场终端/装备到边缘云的端到端网络性能保障。

为了赋能现场网络、园区接入网、园区承载网协同，需要能够对接现场网络、园区接入网、园区承载网的网络控制器。网络控制器如何识别来自现场网络的数据流、如何对不同数据流进行差异化的网络性能保障是需要解决的问题，园区网络越大，流识别和网络保障难度越大。

总之，要在园区网范围保障远程控制类业务，需要边缘云、园区网络、现场网络以及IT和OT技术的协同发展。为了有效保障边-端协作，业内研发了多种适用于提升园区网络性能稳定性的技术，如TSN、DetNet、DIP、TSC等。

3  关键技术简述

3.1   TSN

TSN是由IEEE 802.1制定的一系列标准[3]，  主要描述了几种用于确保或改进以太网流量实时传输的机制，允许在集成的桥接网络上控制具有各种要求的流（flow），例如超低延迟、低抖动和零丢失可靠性[3]。IEEE TSN标准最初于2018年正式发布，适用于Ethernet网络[4]。

TSN标准包括时间同步、流控机制、可靠性保障、资源管理等。

时间同步标准的主要功能是通过对本地时钟的操作，实现整个系统的统一时间标度。TSN的时间同步标准主要包括IEEE 1588和IEEE 802.1AS，其标准导图如图2[7]所示。

图2 TSN时间同步标准导图

流控机制是TSN实现流确定低时延传输的关键技术之一。TSN流控过程主要包括流分类、流整形、流调度和流抢占，如图3[7]所示。

图3 TSN流控过程示意图

（1）交换机在入端口根据标识符等信息对帧进行识别和分类；

（2）分类后的帧进入各自的优先级队列进行排队；

（3）流整形模块在流排队完成后对超过限制速率的AVB（Audio Video Bridging）流进行限制和控制，其余如TT（Time Triggered）流和BE（Best Effort）流则无需进行整形，直接进行流的调度与抢占操作；

（4）流调度模块根据不同的流调度策略或算法决定帧的转发顺序，并根据流特殊需求执行抢占操作；

（5）选择不冲突的交换机出端口对流进行转发。 TSN的可靠性主要指网络对故障的预防以及恢复能

力。TSN的可靠性标准主要包括IEEE 802.1CB和IEEE802.1Qci两个标准，如图4[7]所示。

图4 TSN可靠性标准导图

资源管理的主要功能包括对网络资源进行管理和配置，以及对性能数据进行检测和分析等。其标准导图如图5[7]所示。

图5 TSN资源管理标准导图

3.2   DetNet

IETF确定性网络（Deterministic Networking，DetNet）是与TSN有密切关系的技术。与IEEE TSN主要关注Layer 2不同，DetNet专注于在Layer 2桥接和Layer 3路由段[6]。图6是TSN和DetNet之间的关系示意图，DetNet使两个TSN端系统之间的长距离、确定性通信成为可能[7]。

图6 TSN over DetNet[7]

3.3   DIP

由于DetNet没有基于IP层的转发时延控制，无法很好地应用于大规模网络，即不适用于大型域组，例如Internet。为此，2018年，DetNet工作组开始研究Deterministic IP（DIP）[8]。

在MWC 2021上海展期间，  华为实物展示了DIP技术原型样机，通过现场对比普通IP和DIP在承载真实工业控制信号时延和抖动的差异，  展示了DIP如何使能微秒级确定性网络[9]。

3.4   3GPP TSC

3GPP在R16引入了5G与工业网络互通的架构，  称作时间敏感通信（Time-Sensitive Communication，TSC）[10] ，如图7所示。TSC将5G系统作为一个TSN网桥集成在TSN系统中，通过高精度时间同步、确定性转发、TSN管理协同及网络拓扑发现等能力，在固网覆盖困难或存在移动性要求的业务场景辅助TSN网络，提供确定性网络传输服务[11]。

图7 TSC over 5G System [Source: 3GPP]

为了支持TSN时间同步，5GS作为TSN网桥与外部网络集成。根据3GPP TS 22.104，应将5GS建模为符合IEEE Std 802.1AS-2020的实体[12]。对于TSN时间同步，整个端到端5GS可视为IEEE Std802.1AS-2020定义的“时间感知系统”[13]。

4  结语

工业园区网络业务需求各异、技术基础也不同，为了有效支持边缘计算相关业务，特别是控制类和协同操作类业务，园区网络性能的稳定性是必然要保障的重要指标。

本文在梳理了工业互联网网络框架后，对工业园区网络可能会用到的几种确定性网络技术，即TSN、

DetNet、DIP以及TSC进行了研究。TSN、DetNet、DIP可用于园区承载网中，TSC可用于园区5G接入网。具体组网需由实际场景和业务需求确定。

园区网络、边缘计算等是工业园区实现进一步产业升级的基础性技术。虽然目前业内已在园区承载网对TSN等确定性网络技术进行了试验，取得了预期效果，但园区网络与工业现场网络的协同是端到端保障的关键，是需要进一步努力的方向。  

作者简介：

贾雪琴  （1979-），女，湖南人，高级工程师，博士，现就职于中国联合网络通信有限公司研究院，主要从事工业互联网、确定性网络等技术的研究和标准化工作。

黄   蓉  （1986-），女，四川人，高级工程师，博士，现就职于中国联合网络通信有限公司研究院，主要从事移动通信，边缘计算，5G+工业互联网等研究工作。

李振廷  （1983-），男，黑龙江人，高级工程师，  博士，现就职于之江实验室，主要从事移动通信、确定性网络、工业互联网等研究工作。

韩政鑫  （1994-），女，河南人，工程师，硕士，现就职于中国联合网络通信有限公司研究院，主要从事移动网络、5G+工业互联网及行业专网研究工作。

参考文献：

[1] ITU-T Y.4208. IoT requirements for support of edge computing.[Z].

[2] IEEE. Time-Sensitive Networking (TSN) Task Group[EB/OL].

[3] Y. Seol, D. Hyeon, J. Min, M. Kim and J. Paek. Timely Survey of Time-Sensitive Networking: Past and Future Directions[J].IEEE Access. 2021, (9) : 142506 - 142527.

[4] IEEE Std 802.1Q-2018, IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Network–Bridges and Bridged Networks[S]. 

[5] 蔡岳平, 姚宗辰, 李天驰. 时间敏感网络标准与研究综述[J]. 计算机学报, 2021, 44 (07) : 1378 - 1397.

[6] IETF. Deterministic Networking (detnet)[EB/OL]. 

[7] ETSI GR NGP 008 V1.1.1 (2019-01). Next Generation Protocols (NGP); Mobile Deterministic Networking[S].

[8] S. Wang, B. Wu, C. Zhang, Y. Huang, T. Huang and Y. Liu. Large-Scale Deterministic IP Networks on CENI[C].IEEEINFOCOM 2021 - IEEE Conference on Computer Communications Workshops (INFOCOM WKSHPS), 2021. 1 - 6.

[9] C114通信网. 微秒级确定性IP走进工业制造: 华为DIP技术再次亮相MWC 2021上海展[EB/OL]2021-2-27.

[10] 3GPP TS 23.501. System Architecture for the 5G System[S].

[11] 黄震宁, 李爱华, 张昊, 等. 3GPP R16 5G核心网技术综述[J]. 移动通信, 2021, 45 (1) : 85 - 89.

[12] 3GPP. Service requirements for cyber-physical control applications in vertical domains[EB/OL].

[13] IEEE Std 802.1AS-2020. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks[S].

摘自《自动化博览》2022年2月刊