确定性网络,精准赋能工业互联
2021-11-25 作者:中兴通讯 郑兴明
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确定性网络,精准赋能工业互联

发布时间:2021-11-25  作者:中兴通讯 郑兴明  阅读量:

工业互联需要确定性网络

 

随着移动网络技术的发展,移动网络不仅提供高速的上网业务,而且还为各行各业提供网络通信服务,实现一网万用、按需服务。在垂直行业中,传统的“尽力而为”(Best Effort)机制已经不能满足需求,工业控制等某些特定领域中,需要网络支持有界的时延和抖动、极低的丢包率和超高可靠的保障。

早期的工业网络大都采用专线(如现场总线)的方式,来保障特定业务流的传输要求。但随着全球新一轮科技革命和产业变革的加速发展,工业互联网成为未来工业制造智能化和信息化的关键技术。在工业互联网中,IT网络与OT网络相互融合,在同一个网络中,同时满足互联网与信息化数据所需的大带宽,同时满足工业控制数据的实时性与确定性要求。

在当前尽力而为的网络中,不同业务的数据在转发时,遵循先进先出(FIFO)、优先级抢占等QoS调度机制,该机制下,无法避免网络冲突,难以提供稳定可靠的网络传输,一旦发生报文冲突需要等待或者重传,可能会导致较长的转发时延和不可控的抖动。这在高精度的工业控制中是无法忍受的,因为这可能导致生产系统的出错甚至崩溃。为了让移动网络可以为时延极其敏感的行业提供网络服务,需要引入严苛、精准的确定性保障能力。

 

确定性网络关键特性

 

确定性网络在一个网络域内为承载的业务提供确定性业务保证的能力,包括有界的时延、抖动和丢包率等指标;通过在网络中为关键的业务流协调各个转发节点的调度转发资源,保障该业务流在网络中的畅行无阻,可以实现超低时延和消除抖动的转发能力。此外,通过对业务流复制和多链路冗余传输还可满足超低丢包率的高可靠传输能力。

在未来5G-Advanced的确定性网络中,通常具有如下几种关键技术特征(见图1):

        图1  确定性网络关键特性

- 精准时间同步

纳秒级的高精度时间同步有助于网络各节点获取一致的时间感知,不仅仅为网络中的各个业务节点提供高精度的时间一致性校对能力,而且还为基于时间门控的调度机制提供了基础。

- 有界时延抖动

调度转发机制的增强,可实现精准上下行带宽保障、超低时延和超低抖动的转发能力。如提供端到端的基于精准时间的资源预留和调度,确保网络中每一个环节都畅行无阻;增强优先级抢占机制,随时打断其他报文的转发,减小报文传输的等待时延。

- 可靠网络传输

确定性网络需要无中断的业务服务和无丢包的传输保障,因此,5G-Advanced网络需要提供全业务、全状态、全数据的实时热备能力,实现无缝的异常倒换和无中断的网络服务能力;并且还需要提供端到端双路径的冗余传输机制,进一步防止网络故障、丢包等异常导致的网络服务中断和数据丢失。

- 业务混合复用

移动网络是一个多种业务流混合共存的网络,需在多业务复用的网络中为特定的业务流提供确定性保障能力,例如:工业互联网中存在IT业务流和OT业务流,针对OT业务流需要保障超低的时延、抖动和丢包率,确定性网络的混合复用技术大大降低专用网络部署的成本,简化组网复杂度。

- 端到端闭环协同

确定性的网络保障离不开对网络资源的精细管理和协调,5G-Advanced网络中将会进一步构建从终端到网络到业务的全方位监控机制:提供端到端切片管理,保障业务SLA;通过终端-网络-业务的端到端协同,实现按需定制网络;感知网络状态、业务体验、调度效果等数据,实时调整业务的调度策略,构建“感知-决策-优化”的端到端闭环控制。

 

确定性网络标准及演进

 

确定性网络技术的标准主要包括:IEEE 802.1 TSN、IETF DetNet以及3GPP TSC技术。

TSN技术(Time Sensitive Network)是IEEE制定的基于L2 Ethernet的确定性网络标准,目前已经发布了802.1AS、802.1Qbv、802.1CB、802.1Qcc等10多个802.1 TSN相关标准规范,已经比较成熟;业界也已推出了多种TSN交换机,以及支持TSN的芯片和工业终端等,正在逐渐开始商用。

DetNet(Deterministic Networking)由IETF在2015年成立工作组,目前标准还在制定中,当前已发布Use Case、IP/MPLS等多种数据面架构、流模型等10多个RFC规范。与TSN仅支持L2 Ethernet网络不同,DetNet将确定性网络技术扩展到L3网络,实现了在IP/MPLS的确定性传输、与TSN网络叠加互通等,为实现广域的确定性传输提供技术基础。

TSC(Time Sensitive Communication)由3GPP在2020年7月发布的R16标准中开始引入。在R16标准中,整个5G系统作为一个TSN逻辑网桥,实现与TSN网络的互连互通。目前制定的R17标准中,5G系统引入了内生确定性,实现UE-UE的确定性传输,无需5G网络对接TSN网络;预计在将来的R18标准中,3GPP还将实现与DetNet网络的互连互通。

 

在工业网络向IT和OT融合的数字化转型驱动下,5G-Advanced网络的超低时延、抖动和超高可靠的确定性传输机制,及其无需布线、灵活部署以及移动性等优势,在智能工厂、智能电网、智慧港口等行业应用中将有着广泛应用前景。

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