通信世界网消息（CWW）目前，工业互联网作为新兴信息技术与工业领域全方位融合的产业应用生态，受到了“政、产、学、研、用”各方高度关注，尤其是5G、边缘计算等新技术的应用，能够为各类工业企业，特别是工业制造企业，带来全新的高性价比解决方案。以2020年第三届“绽放杯”5G应用征集大赛为例，在获得一等奖的十大案例中，属于工业互联网领域的应用就占据了其中六席。
在各类纷繁复杂的5G+工业互联网方案中，企业专用网络（简称专网）的建设作为最重要的基础设施之一，很大程度决定着该方案是否能真正满足工业企业的需求，为此各方提出了多种新的网络技术与组网方案，以提供性能更好、安全性更高的建网方式。本文将关注工业制造领域中的协同制造需求，重点介绍一种具有端到端、高效弹性、时延可控的跨域确定性专网方案，以及相关网络技术的验证与应用情况。
5G+工业互联网场景中对专网的需求分析
工业互联网通常可以分为工厂内网与工厂外网两大部分，传统上两者采用截然不同的网络技术体系，所提供网络的性能指标也是大不相同。还有非常关键的一点在于，工厂内网通常是由工业企业自建、自用、自维护，但工厂外网则一般是租用第三方的广域网来构建的，比如租用电信运营商提供的专线或者专网产品等。
但随着5G的到来，原本泾渭分明的工厂内网与工厂外网之间的界限正在被突破。例如在大量案例中，使用5G移动网络替代工厂内网中的Wi-Fi或者固定线路，能够有效突破物理环境的限制，让更多的工业设备以更为灵活的方式接入到网络中，这种方式被越来越多的工业企业所接受。目前，一个非常典型的应用案例是在AGV（Automated Guided Vehicle）小车调度场景下，利用5G与确定性网络技术，替代原有的电磁轨道等引导方式，让AGV小车的调度更为简便与灵活，实现更为复杂的流程控制。2020年12月，中国电信与华为公司联合发布了《面向工业互联网的确定性IP网络白皮书》，其中介绍了在AGV场景中应用5G接入、广域确定性网络技术作为网络连接的方案。实测结果显示，采用相关新技术后，基本可以消除网络拥塞带来的时延变化，从而消除AGV小车因网络拥塞而导致的卡顿现象。
需要着重指出的是，这类方案在突破物理空间限制的同时，也突破了传统的网络边界，工厂内网与运营商网络混成在一起。此时，专网的规划、建设、运营以及优化都面临完全不一样的挑战，特别是不同网络之间的互联、互通与互操作问题，成为该类方案落地时亟需解决的难题。
因此在5G+工业互联网场景中，专网方案要突破原有的工厂内网与工厂外网模式，就需要研究人员从新的角度来审视并解决问题。目前，业界各方都在积极探索新的解决思路，其中ECC联盟（边缘计算产业联盟）下属的ECNI（边缘计算网络基础设施联合工作组）于2020年12月发布的《5G时代工业互联网边缘计算白皮书》中明确提出，针对5G、边缘计算等新技术的引入趋势，以承载关键工业应用的边缘计算节点为核心，将工业互联网中的网络架构划分为ECA（Edge Computing Access，边缘计算接入网）、ECN（Edge Computing Network，边缘计算内部网络）和ECI（Edge Computing Interconnect，边缘计算互联网络）三部分，能够从一个全新的视角来审视5G、边缘计算、确定性网络等新技术在工业互联网中的应用，以边缘计算为中心的工业互联网网络架构如图1所示。
图1 以边缘计算为中心的工业互联网网络架构
新的划分方式便于研究人员从新的角度为工业互联网应用设计端到端的网络，提供高质量的网络基础设施。下面就从一个非常典型且对网络有非常高要求的协同制造场景，来分析如何利用5G定制网、确定性网络、边缘计算等技术构建一张端到端的跨域确定性专网。
跨域协同制造场景分析
协同制造（Collaborative Production Commerce）作为21世纪的现代制造模式，其核心在于利用先进的网络与信息技术，将传统的串行生产方式转变成并行生产方式，实现供应链内及跨供应链间的企业产品设计、制造、管理和商务等合作，从而最大限度地缩短新品上市时间，缩短生产周期，快速响应客户需求，提高设计、生产的柔性，以期最终改变业务经营模式，实现资源最充分利用的初衷。
协同制造的基石在于将企业内各个部分之间的信息流有机地结合起来，将从传统的信息传递和统计转换到基于事件驱动的协同制造管理信息流程中，同一企业不同工厂（含外包工厂）将不再是一个个独立的控制环，而是企业内完整控制环的一个有机组成部分。显然在此过程中，网络连接成为重中之重，因为此时的网络不仅要承载“制造和物流的信息流”，还要承载“生产过程中的控制流”，要求网络必须满足高度安全可信、极高的确定性服务质量保证以及极高的用户自管理和控制能力等极致性能要求。简而言之，协同制造的关键是通过网络将不同位置，甚至是不同所属的制造设备关联起来，突破物理厂房的限制，形成一个虚拟化的生产流水线，从而让生产过程可以根据产品需求灵活调整。
以工业制造企业甲为例，如图2所示，该企业有分布在两个不同区域的厂区A和厂区B，还将部分零部件的生产外包给了企业乙的厂区C。当然企业乙的厂区只是在部分时间段为企业甲服务，在另外一些时间段内还需要为企业丙提供制造服务。为了实现高效的协同制造，企业甲有强烈的诉求将自己的厂区A和厂区B、企业乙的厂区C关联在一起，并结合高效的物资配送体系，形成一套虚拟化的流水生产线。
图2 跨域的协同制造示意图
对于这种高安全、高性能要求的跨域专网建设需求，传统网络虽然可以通过独立的园区网络加上高品质且高价格的传输专线来解决相关问题，但显然其成本高昂，部署周期漫长，缺乏端到端的运营管理能力，很难满足新时期的协同制造要求。因此业界正在积极探索通过新的网络技术解决上述问题。一种可行的方案是依托5G定制网、确定性广域网，构建一张虚拟的端到端跨域专网。为了保证实现极致的性能，在ECA部分主要采用5G定制网实现接入侧的高效、灵活与安全，在ECI部分则主要采用广域确定性网络技术实现跨域连接的高可靠性，而ECN部分则可以根据业务量（计算量）的大小来选择不同的数据中心组网技术。
ECA：5G定制网
中国电信于2020年11月发布了《中国电信5G定制网产品手册》，提出中国电信5G定制网综合解决方案，如图3所示，5G定制网方案根据不同用户类型，比如广域优先型、时延敏感型及安全敏感型，分别提供“致远”“比邻”“如翼”三类服务模式。当然，中国移动与中国联通也有相近的产品体系与解决方案。
“致远”模式是中国电信面向广域优先型行业客户提供的定制网服务，此模式主要是利用5G切片、QoS、专线等技术构建端到端差异化保障的网络连接，以及专属的行业应用等。
“比邻”模式是中国电信面向时延敏感型政企客户提供的定制网服务，此模式最显著的特征是通过在边缘计算节点部署定制化的UPF与MEC，提供网络连接低时延和数据不出园区等服务。
“如翼”模式是中国电信面向安全敏感型政企客户提供的定制网服务，此模式在“比邻”模式的基础上，进一步将定制化5GC也下沉到边缘计算节点，从而为客户提供完全隔离的5G专网，能够满足相当苛刻的安全、性能、自管理要求。
图3 5G定制网方案示意
总之，5G定制网能够向不同类型的客户提供“网-边-云-用-服”五位一体的专属定制服务，满足不同行业客户数字化转型升级过程中对网络、边缘、云、应用等的差异化需求，能够协同制造中对ECA部分的高指标要求。
ECI：广域确定性网络技术
在传统网络技术中，光传输网络可以提供完美的确定性传输质量，或者可以说无论采用何种技术，其性能的上限就是光传输网络。但光传输专线采用资源预占模式，根据业务类型提供不同的服务质量的方式较为复杂，这使得光传输专线的成本相对较高，适合对网络质量要求极高且对价格不敏感的用户使用。业界一直在研究基于IP网络提供广域确定性服务，同时保留IP网络分级服务的能力与灵活的特性，以达到最佳性价比的要求。
广域确定性网络技术主要基于周期的排队和转发技术，通过中间节点聚合调度，无需维护每个业务实例状态的机制，能在继承传统IP网络统计复用优势的基础上，消除因不可控排队带来的转发抖动，从而实现IP报文的定时发送、定长排队，时延可预估。根据笔者在实验室组织的基于AGV场景的测试以及紫金山实验室发布的长距测试报告来看，广域确定性IP技术能够实现报文的时延抖动指标与网络跳数无关，避免“路径状态N方增长问题”。面向工业互联网的广域确定性网络技术架构如图4所示。
图4 面向工业互联网的广域确定性网络技术（DIP）
根据相关测试结果来看，广域确定性网络技术无论是在轻载，还是重载，甚至是满带宽的压力背景下，确定性IP专线都可以保证链路微秒级的抖动，可以满足协同制造中对ECI部分的高精度时延抖动要求，从而保障工业生产安全可靠运行。
跨域确定性专网方案
下面通过一个典型的案例来说明如何通过5G、确定性广域网等新型网络技术，满足前述的企业甲在协同制造过程中对于专网的需求。在本案例中，企业甲可根据信息重要性以及合作模式，分别在厂区A采用“如翼”模式，在厂区B和合作的厂区C采用“比邻”模式，而不同厂区之间采用广域确定性网络链路连接，其方案示意如图5所示。
图5 端到端确定性专网方案
本方案在安全性、可靠性、便捷性等方面具有非常大的优势，且成本相对合理，能够降低企业改造成本。
一是高效的安全性。利用隔离的网络资源，保障了用户独享专有的完整网络地址空间，能够根据业务需求自由地进行地址分配与管理，并可以对疑似问题部分灵活进行切割。
二是极致的可靠性：能够提供可靠的网络质量保障，比如满足特定的可用率、丢包率、端到端时延指标、抖动指标（时延变化率）等，并对特定的网络资源具有优先占用的权限。
三是易用的便捷性：有效利用运营商基础网络资源，缩短建设周期，进而大大降低成本。比如在前述案例中，企业乙分时承担了多家企业的外包制造合同，如果每个甲方都需要建设一套独立、安全的专网来传递机密的信息流和控制流，那么每次都需要在企业乙的厂区C再建设一套专网，其成本、时效都是无法接受的，因此通过运营商的网络，结合网络切片等技术，为每一个定购方提供一套虚拟专用网络切片。
综上所述，跨域确定性专网方案相关技术已经逐渐成熟，能够有效应对新形式下先进工业制造领域发展对网络连接提出的需求，并且已经开始与部分合作客户开展了技术验证与试点。笔者相信随着技术的进步和产业的成熟，此类解决方案能够为产业链各方带来更大的经济利益，成为5G时代新的业务增长点，为科技进步与国民经济发展贡献一份力量。
