中科院李栋:工业SDN网络关键技术与测试床

作者:李栋
  点击数:2521  发布时间:2018-04-13 01:10
简单梳理一下商用网络发展历程,可以发现在这个过程中商用网络不断的提高带宽满足用户对吞吐量方面的需求。在这个过程中其实是建立在一个理论统计复用的理论基础之上,带宽越多、资源越多、用户的需求得到满足的概率就越大,但是并不会达到百分之百。他并不能够保证每时每刻每一个业务都能够满足用户的需求。
关键词:智能制造 ,工业互联网 ,网络通信

我们梳理一下网络技术或者互联网的主流通信技术发展的历程,从100年前刚出现模拟和数字传输开始一直到现在我们有如此方便快捷高效稳定互联网的技术。

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中科院李栋:工业SDN网络关键技术与测试床

李栋:感谢海花总,各位嘉宾大家好,我来介绍一下工业SDN关键技术与测试床的相关内容。我的报告分三个部分,首先介绍一下工业互联网的网络技术发展的脉络,由此引出我们为什么需要工业互联网这样的网络,然后给大家简单介绍一下这个工业互联网网络架构和一些相关的关键技术。最后,我会花大一点的篇幅结合我们在AII里面成功跟生产相关的测试床,给大家介绍工业互联网网络具体的内容。

我们梳理一下网络技术或者互联网的主流通信技术发展的历程,从100年前刚出现模拟和数字传输开始一直到现在我们有如此方便快捷高效稳定互联网的技术。在这个过程中我看到出现了一个从市场体量来说非常小的分支就是工业网络。可以说所有工业网络到目前为止全部是由商用网络或者由互联网这样的主流技术发展而来的。但是为什么我们不能够直接使用主流的商用网络技术?一定在工业里面提出一些新的技术,提出一些跟主流不同甚至不兼容的技术。原因就是在于我们中间划了一道线,商用网络本身具有比较强的非确定性。工业领域我们更强调确定性或者说实时性或者说是确定性的实时,确定性的可靠,我们更关注这样的内容。

简单梳理一下商用网络发展历程,可以发现在这个过程中商用网络不断的提高带宽满足用户对吞吐量方面的需求。在这个过程中其实是建立在一个理论统计复用的理论基础之上,带宽越多、资源越多、用户的需求得到满足的概率就越大,但是并不会达到百分之百。他并不能够保证每时每刻每一个业务都能够满足用户的需求。

由此产生了工业网络技术,传统的工业网络技术是在IEEE802.3以太网技术成熟之后,工业网络借鉴了以太网的帧结构。因为当时以太网的核心是CSMA/CD机制,天然会带来网络部确定性。很多厂商所有主流做工业自动化的厂商都在标准以太网的基础之上做了他们自己相应的改变,将CSMA机制改变,用什么样的机制,一定会把它改掉,时分、轮询、令牌、集总帧等机制避免竞争,可以给CSMA网络带来确定性,保证实时性要求。随着实时性等级不同,可以将现有工业以太网技术分为三类,他们是对实时性保障级别是各有不同的。

刚才提到因为不同的厂商根据自己的工业控制领域不同的要求,比如运动控制和自动化控制,其实他在实施性的要求是不同。针对不同的需求设置不同的网络协议,研制不同的网络技术,进一步造成了网络之间其实很难相互兼容和互联。现在的方式是我们用了一个往往是通过网关的形式,形成多个网络之间的互联,能够做一个比较简单的数据的流通。但是这个过程中因为要做大量的应用层的适配,数据一定要到应用层里面甚至说因为工业以太协议的数量、复杂程度太多,使得我们很难将两两协议都完全适配起来,形成一个完全打通工业互联网的状况。

因此无论是国内还是国外在发展工业互联网的时候,都面临着网络相互割裂,严重影响了网络互联效应这样的问题。同时也都提出了我们能不能用同一张网络,能不能构建扁平化的网络,使用相同或者类似网络设备将所有工业控制方面设备和服务于工业控制的管理和IT业务的设备全部连接起来。

因此我们提出来在工业互联网的工厂内网里面正在向着一个ITOT融合趋势发展,我们总结一下一个ITOT融合的网络应该具备的功能。首先是融合接入,这个网络应该能够接受工业以太网的专有协议和标准以太网的通用协议都可以插到这个网络里面,都可以通过这个网络进行统一接入。第二是融合的互联,因为目前我们仍然保留大量现有工业控制网络的系统,原有系统和原有生态里面,原来专有的网络协议仍然会占有相当大的市场份额和空间。这里面这个网络需要支持融合互联,能够支持标准以太网协议相互之间的互联,也支持工业以太网专有之间的互联。因为我们使用同一张网络,这个网络管理角度来说,我能够看到这个网络里面所有流量,能够看到这里面所有设备。我有理由能够做一个统一融合的管理,可以进行统一拓扑管理、设备管理、策略管理、业务管理等等现在网络管理应该做的东西都可以在这个统一的网络里面来进行完成。

为了实现这样一个ITOT融合的网络,我们借鉴SDN的理念,在网络层构建一个扁平化架构,这些转入、转发的网络设备他们其实相互平等,他们是以一个融合的形式连接在一起。这里会有一个统一的ICT的控制器,由这个控制器进行整个网络统一管理和调度。所有用于工业生产的IT和OT设备,全都能接入这样的网络中来。这样的网络里面,他们的核心,因为说他连接了原有IT和OT设备,网络本身就既要保证IT业务、高带宽、高吞吐量的需求,又要满足OT的需求,这是这个网络组合需要解决的问题。这样的网络中,我们之所以借鉴了SDN的架构,我们看到我们可以利用SDN的北向接口跟工业控制系统相关联,系统会产生什么样的通讯的需求,有多大的通信量,有什么样的实时和可靠性的要求,可以通过北向接口送到控制器这边来,控制器掌握所有调度和管理,生成策略下发到扁平化的交换机里面去。通过这样的架构,极大的提高网络扩展性和灵活性,又能保证现有的ITOT业务的需求。

从技术角度主要的思路是说我们在任何一个网络都有控制面和转发面的分离,这套系统里面转发面主要负责数据流的转发,承载数据流,按照相应策略进行转发。控制面我们设计相应的网络模型计算一共有多少资源,现在的业务占去多少资源,还剩下多少资源。有一个新的业务请求,通过北向接口到我网络里来之后,我通过什么样的策略在现有网络资源情况下能够进行承载。能承载,我会声称相应的策略。如果不能承载,要显示通知相应的业务提出方,你的需求我无法满足,你的业务不要上线。这是我们在工业领域非常愿意接受这样一套模式。

由于时间关系,我的技术方面不多说,这里简单结合我们测床软件定义可重构智能制造验证示范平台来给大家介绍一下这个平台的情况。这个平台中间的一层网络核心就是我刚才提到的工业网络。这个测试床提出的背景是这样的,随着消费理念不断升级,现在很多行业尤其是跟消费者关系比较大的电阻家电更偏零售业行业越来越面临个性化定制的需求。我生产一个产品,产品定型、上市到被淘汰的时间越来越快,如果这个厂商不能很快的跟上新的潮流,不能跟上新的IP,不能有新的热点产品出现,这个厂商在市场上的生存率生存几率很低。这个过程中我们发现传统的自动化的生产线,它的自动化水平越高、效率越高,当我要对它进行改变的时候,当我要做一个新的产品,要做这个产品的工艺和各方面调整的时候,它转变的速度就越慢。在这个过程中要添加大量的人工操作,使得耗时非常长。我们希望整个,相应如果说我们原来生产线里面是大量的人工,虽然说我们效率会低一些,但是当我这个生产会发生改变的时候,转场进行个性化定制的时候,人的效率,人的柔性是很好的。

我们面临问题既要提升自动化率,既要在整个生产过程当中减少人的干预,从事又要保证怎样快速实现新的订单,适应新的产品,适应新的产品的生产是我们面临的一个主要的问题。因此整个测试床是面向个性化需求,产品更新换代比较快的离散制造业。怎样设计一套新的生产系统,包括对设备编程,网络,软硬件系统,通过一整套的改变去支撑高度定制化生产的产品会快速而且是规模化生产。

传统现有制造流程从设计到最后的产品生产是串形的过程。如果我要发生改变,从机械结构、工业网络、管控软件,包括自动化软件从各个方面进行更改,我的调整周期会很长。造成这样长周期根本的原因,我们认为现在的自动化系统PIC的编程模式类似汇编的架构,修改难度比较大,代码和相关的部件的自用率比较低我们构建一个软件定义的平台,这个平台中中间这层是网络,这层是基于SDN的ITOT融合的网络,下面连接各种制造设备,上面将云、MES、CPS统一在同一个网络之上,解决上下之间软件层面和硬件层面之间以及上下南北和东西向的数据交互非常的灵活便利。同时我们将原本应该是沉淀于设备本身,设备端很多自动化控制相关的功能,将这部分代码进行孵化和智能化封装,将原本应该在底层PIC层面进行控制调度这样的操作,全部提交到CPS管控软件。我们将原来很多汇编级做的事情放到高一层的层面来做极大的提高整个系统的效率。这个过程中我使用更高级的语言,整个系统的实时性和可靠性,这里我们会设计相应的技术去解决遇到的各种问题。

通过这样的系统,我们可以实现这样的场景,这是我们三个场景之一。当我的订单发生变化的时候,比如我原来的生产是这样,我的订单有两倍的时候,我的生产线会自动发现我产生瓶颈的生产环节,是一个打磨的环节。我会有一个自动,承载打磨的装置,随时加入到系统的生产过程中来,解决瓶颈的工艺效率。当我高峰订单过去之后,可以撤去,可以支撑这样动态的变化的调整。这样的过程中,需要网络支撑自动化系统的重构,需要其中的软件支持重构,需要上面的各种应用系统支持它的重构。

通过这样的测试床我们能够实现个性化定制产品的快速、规模化生产,控制系统编程复杂度降低90%。测试床也受到了各级领导的广泛重视,也得了一些奖。

我的汇报到此结束,谢谢大家。

摘自 中国信息通信研究院

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