從5G 2C到5G 2B 工業互聯網呼喚新型 5G 2B 架構

  ICC訊 6月17日，第五屆未來網絡發展大會在南京召開。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，不適應企業內網及與OT(操作技術)融合的需要。我們需要開發新型5G to B架構，支持企業網低時延、高可靠、高安全的應用。

  5G與工業互聯網均存在誤區

  針對社會上對于5G賦能千行百業的議論，鄔賀銓指出5G與工業互聯網的發展均存在誤區。目前工業互聯網發展存在的誤區主要體現在兩個方面。

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

  避重就輕：受限于現場級工控設備的協議開放性，不從機器聯網做起，企業小腦也無數據可挖掘。

  同樣，5G在工業互聯網的應用也存在兩點誤區。

  重外輕內：企業的機器數據和傳感器數據基本不出企業網，但現在過分關注建設跨企業的標識系統和高質量的企業外網。

  以外替內：將5G to C的架構直接搬到5G to B，不適應企業內網及與OT融合的需要。5G全連接工廠并不現實。目前，5G主要應用在現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

  鄔賀銓從企業現場級、過程監控與生產管理級和網絡與業務應用級展開了詳細介紹。

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

  PLC采用可編程存儲器，通過輪詢現場級各端口開關量、數字量和模擬量，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數、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工業模組可以連接移動終端。工業互聯網5G基站的建設又分為三種：一是企業共享運營商建設的5G基站與核心網。核心網用戶面功能(UPF)下沉到企業，5G工業模組登記在公網，數據不會離開企業去運營商處，不用擔心數據安全問題。二是企業共享運營商建設的基站但自建核心網，5G工業模組登記注冊和數據均在內網。三是企業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工業模組是扁平化的，用的是傳統標準以太網協議，適用非周期數據，采用統計復用機制，優點是實現了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。

  企業現場級TSN基于時鐘同步、數據調度、可靠性機制等技術，通過在標準以太網第2層的時隙引入優先等級標簽，允許高優先級幀搶占低優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TSN over 5G。在TSN之上可以承載各種現場級工控協議。支持周期性與非周期性數據同傳，從而實現鏈路層上支持IT與OT融合。

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

  網絡與業務應用級采用基于IPv6的網絡層。IPv6可實現真實源地址溯源，并留有很大的編程空間，可開發更多的功能。首先是APN6(應用感知網)，應用感知功能，傳統的IPv4只支持選路，并不知道IP包承載的是什么業務，現在IPv6包可以定義業務服務質量，網絡感知業務需求。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路徑，支持低時延、組播、快速倒換和并發冗余傳輸，實現高可靠性。SRv6有望成為端邊云網統一的簡化通信協議。

  網絡與業務應用級基于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。

  高起點工業互聯網呼喚新型5G to B架構

  目前，我國機械行業80%的設備仍采用傳統的繼電器和接觸器進行控制，尚未使用工控系統產品。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，要開發新型工控設備，高起點建設工業互聯網?，F在邊緣計算、5G工業模組、智聯網、區塊鏈、IPv6、TSN等技術發展迅猛，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、智能化發展，推動機器聯網，盤活生產線數據。

  除此之外，還要開發適應企業網特點的網絡架構。公眾網核心網的控制平臺離終端比較遠，下行業務帶寬高，而企業網核心網是下沉到企業，主要業務終結在車間，而且往往上行要求高，對時延敏感，企業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，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網，但對大中型企業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：一是傳統基于現場級工控設備的工業互聯網層級多、標準碎片化、IT/OT融合困難、網絡安全性低。

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

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

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