確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)分析

朱瑾瑜，陳 潔，段世惠（1.中國信息通信研究院，北京 100191；2.互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)融合創(chuàng)新工業(yè)和信息化部重點實驗室，北京 100191）

0 引言

隨著工業(yè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向不斷前進(jìn)，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域也逐步從面向個體用戶的消費互聯(lián)網(wǎng)向面向行業(yè)用戶的產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展。這必將在工業(yè)場景下引發(fā)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的優(yōu)化升級，并形成一批新型業(yè)務(wù)應(yīng)用。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)致力于通過人機(jī)物全面互聯(lián)實現(xiàn)智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個性化定制和服務(wù)化延伸的新型生產(chǎn)模式。

新型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，一方面需要面向傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)演進(jìn)升級，構(gòu)建一張打通生產(chǎn)數(shù)據(jù)壁壘和信息孤島，支撐工業(yè)數(shù)據(jù)安全有序流轉(zhuǎn)的高速網(wǎng)絡(luò)，使其可以滿足各類業(yè)務(wù)差異化的承載質(zhì)量要求，解決復(fù)雜性問題；另一方面需要將互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域由生活延伸到生產(chǎn)，擴(kuò)展工業(yè)網(wǎng)絡(luò)空間的邊界，支撐端到端的數(shù)據(jù)深度集成與建模分析，實現(xiàn)智能化的生產(chǎn)決策與設(shè)備控制，解決確定性問題。簡而言之，新型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是可以在復(fù)雜工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下對綜合承載的各類業(yè)務(wù)實現(xiàn)差異化質(zhì)量保證的確定性網(wǎng)絡(luò)。

目前國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)化組織都已經(jīng)開展確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相關(guān)研究，并將工業(yè)領(lǐng)域作為其典型應(yīng)用場景。隨著IEEE 主導(dǎo)的以TSN 為代表的確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展成熟，IEEE 與IEC 于2017 年在TSN任務(wù)組中成立了P60802工作組，研究將二層確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（TSN）應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域；Internet標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范最主要的國際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會組織IETF（Internet Engineering Task Force）于2015 年成立了確定性網(wǎng)絡(luò)（Deterministic Networking）工作組，與IEEE TSN 任務(wù)組協(xié)同，致力于在第2 層橋接段和第3層路由段上構(gòu)建通用架構(gòu)以建立端到端確定性轉(zhuǎn)發(fā)路徑。3GPP 在R16 階段的研究報告22.804 中將工業(yè)作為典型場景之一進(jìn)行需求梳理，并在標(biāo)準(zhǔn)23.501（5G 系統(tǒng)架構(gòu)）中面向工業(yè)領(lǐng)域引入TSN 機(jī)制，用以支撐5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的確定性服務(wù)，并在R17階段進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化增強(qiáng)，且計劃在R18 階段重點開展時間敏感通信研究（TSC）。2018 年起，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）各個工作組也積極開展確定性網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究，并在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)特設(shè)組（ST8）針對工業(yè)場景下確定性網(wǎng)絡(luò)、時間敏感網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)及設(shè)備的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)啟動制定工作。

雖然產(chǎn)業(yè)界內(nèi)對于確定性網(wǎng)絡(luò)的研究如火如荼，什么是確定性，如何實現(xiàn)確定性仍是目前確定性網(wǎng)絡(luò)需要明確的2個主要問題。確定性主要體現(xiàn)在對網(wǎng)絡(luò)傳輸指標(biāo)（帶寬、時延、抖動、丟包）的精準(zhǔn)保證上，這些指標(biāo)的量化則需要基于行業(yè)場景的實際需求才可以確定，確定性則需要根據(jù)指標(biāo)量化選擇合適的確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實現(xiàn)。

本文分析了新型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的確定性需求，梳理了工業(yè)確定性網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)，并針對工業(yè)確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及演進(jìn)策略給出了初步判斷。

1 確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需求

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的整個生產(chǎn)經(jīng)營流程大體可分為研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、物流倉儲、運(yùn)維服務(wù)等場景［1］。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的概念已經(jīng)從最初的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)延伸到包含工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)（OT）、工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)（IT）以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)全集。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用可以體現(xiàn)在運(yùn)動/過程控制、監(jiān)控及測量、機(jī)器視覺、數(shù)字孿生、精準(zhǔn)定位，預(yù)測性維護(hù)等6 個典型場景中，由于流量特征的差異，不同場景對于確定性網(wǎng)絡(luò)的能力要求不盡相同。表1從帶寬、時延、抖動、丟包、時間同步等網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)分析了上述場景對于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的確定性需求。

表1 典型工業(yè)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)需求表

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)（OT）主要連接工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備，需要同時具備實時通信和非實時通信能力，對網(wǎng)絡(luò)傳輸確定性要求極高，其流量具有報文長度小、周期性信號（測量、控制及監(jiān)控）與非周期性信號（告警、程序上下載）共存、有限時間響應(yīng)、較為固定的信息流向以及信息保序要求等特點。工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)則與互聯(lián)網(wǎng)流量特征相近，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新業(yè)務(wù)（如OT/IT 融合）的流量則兼具二者特點?？梢钥闯鲂滦凸I(yè)網(wǎng)絡(luò)將是一張業(yè)務(wù)種類多樣、流量模型復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，其確定性不僅僅是某一類流量的確定性的實現(xiàn)，更要考慮在共網(wǎng)傳輸?shù)那闆r下如何差異化保證各類業(yè)務(wù)的傳輸承載質(zhì)量。因此，確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需要解決時延控制、資源調(diào)配、跨域互通等3方面問題。

1.1 時延控制問題

端到端時延是確定性網(wǎng)絡(luò)最關(guān)鍵的指標(biāo)，所謂確定性就是要確定時延上限，甚至是抖動上限。確定性網(wǎng)絡(luò)更專注于時延最大值不大于閾值，消除統(tǒng)計分布的長尾，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)時延采樣分布示意圖

確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的端到端時延主要由轉(zhuǎn)發(fā)時延、協(xié)議時延、排隊時延以及物理時延組成。轉(zhuǎn)發(fā)時延主要由轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)流程決定（如存儲轉(zhuǎn)發(fā)查表）。協(xié)議時延主要由承載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議決定（如TCP 等擁塞控制協(xié)議丟包重傳導(dǎo)致的時延）。排隊時延則是由流量擁塞導(dǎo)致。物理時延則是與傳輸距離及介質(zhì)相關(guān)［2］。

端到端時延的控制需要基于對于各類時延的聯(lián)合控制，可以通過優(yōu)化分組轉(zhuǎn)發(fā)流程，減少轉(zhuǎn)發(fā)時延；通過傳送協(xié)議創(chuàng)新，減少協(xié)議時延；通過更優(yōu)的流量工程方法緩解甚至避免擁塞，減少排隊時延；通過聯(lián)合部署邊緣計算節(jié)點等方式，控制物理時延。除了物理時延以外，轉(zhuǎn)發(fā)時延、協(xié)議時延及排隊時延都在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點內(nèi)部產(chǎn)生。

1.2 資源調(diào)配問題

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)設(shè)施，需要根據(jù)不同業(yè)務(wù)承載質(zhì)量要求靈活選擇確定性承載技術(shù)并進(jìn)行精準(zhǔn)資源匹配，差異化保證不同業(yè)務(wù)的承載傳輸質(zhì)量也是確定性網(wǎng)絡(luò)的一個重要指標(biāo)。這需要網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支持模塊化的資源分配及插卡式的服務(wù)提供方式，支持選擇合理的網(wǎng)絡(luò)資源及傳送路徑，實現(xiàn)傳輸跳數(shù)及距離的最優(yōu)化。

1.3 跨域互通問題

新型的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的集成，要實現(xiàn)源宿系統(tǒng)端到端確定性傳輸，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的跨域協(xié)同問題同樣不容小覷，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要建立網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)和參數(shù)的映射規(guī)則及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同機(jī)制，才可以不受源宿系統(tǒng)部署位置的限制，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全域?qū)崿F(xiàn)全業(yè)務(wù)端到端確定性保證。

2 確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 確定工業(yè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)架構(gòu)

確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)要通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的確定性能力向應(yīng)用提供差異化的端到端確定性服務(wù)保證，本文提出的確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)架構(gòu)

確定性的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)涉及的網(wǎng)絡(luò)域可以分為工廠內(nèi)網(wǎng)、工廠外網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)/其他3個大類。

工廠內(nèi)網(wǎng)主要指工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)（OT）以及信息網(wǎng)絡(luò)（IT），傳統(tǒng)的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)以工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)為主，由工業(yè)總線及以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)，可以滿足控制系統(tǒng)信號的傳輸確定性；信息網(wǎng)絡(luò)則主要以工廠信息系統(tǒng)及辦公網(wǎng)絡(luò)為主，OT 網(wǎng)絡(luò)與IT 網(wǎng)絡(luò)彼此隔離的現(xiàn)狀已經(jīng)無法滿足產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大趨勢下多種業(yè)務(wù)彼此協(xié)同、共網(wǎng)傳輸?shù)牟町惢馁|(zhì)量保證需求［3］。在此背景下，工廠內(nèi)網(wǎng)需要既關(guān)注控制網(wǎng)絡(luò)的確定性，又要具備多種業(yè)務(wù)共網(wǎng)傳輸保障能力。

工廠外網(wǎng)主要指企業(yè)分支間互聯(lián)、企業(yè)與上下游合作互聯(lián)所涉及的網(wǎng)絡(luò)，主要可以分為園區(qū)網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)2種運(yùn)營模式。園區(qū)網(wǎng)絡(luò)是指以實現(xiàn)園區(qū)企業(yè)設(shè)備互聯(lián)和信息互通的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，由園區(qū)到廠區(qū)、由管理到生產(chǎn)的綜合性基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系。運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)部分則通常采用專線方式，用于連接典型企業(yè)分支機(jī)構(gòu)、異地工廠及數(shù)據(jù)中心等。由于業(yè)務(wù)上云，視頻會議、遠(yuǎn)程控制、預(yù)測性維護(hù)等新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，確定性的工廠外網(wǎng)也應(yīng)具備多種業(yè)務(wù)共網(wǎng)傳輸保障能力。

互聯(lián)網(wǎng)及其他涉及網(wǎng)絡(luò)主要對標(biāo)消費互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)業(yè)務(wù)，如供應(yīng)鏈、銷售所涉及的網(wǎng)頁訪問、電子商務(wù)等，對于確定性要求相對較低。

2.2 確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分域架構(gòu)

正如上節(jié)所述，新型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)往往包含多個局部網(wǎng)絡(luò)，大部分業(yè)務(wù)僅需要在局域網(wǎng)絡(luò)中滿足其確定性需要，但由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)范圍逐步擴(kuò)大，傳輸路徑跨域的新興業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，比如數(shù)字孿生、預(yù)測性維護(hù)等業(yè)務(wù)就有大量數(shù)據(jù)需要從生產(chǎn)現(xiàn)場實時傳送至企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)或者園區(qū)數(shù)據(jù)中心，也可以通過運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)專線連接到其他分支機(jī)構(gòu)。在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)除了保證局部區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)確定性，還應(yīng)該具備保證端到端網(wǎng)絡(luò)確定性的協(xié)同機(jī)制。基于此，確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)兼具域內(nèi)確定性及跨域協(xié)同確定性，避免出現(xiàn)跨域后確定性指標(biāo)嚴(yán)重劣化的情況。

確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)要通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的確定性能力向應(yīng)用提供差異化的端到端確定性服務(wù)保證，本文提出的確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的分域架構(gòu)如圖3所示。

圖3 確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分域架構(gòu)圖

此架構(gòu)依據(jù)安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、技術(shù)特征等原則對全網(wǎng)劃分區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)部署集中式區(qū)域控制器，負(fù)責(zé)管理域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，學(xué)習(xí)本域拓?fù)湫畔?，感知?fù)載，發(fā)起及執(zhí)行跨域通信，域內(nèi)流量配置生成等。

全網(wǎng)需要部署端到端協(xié)同控制器，負(fù)責(zé)維護(hù)區(qū)域控制器的域級拓?fù)洹⑷中畔⑻幚?、?fù)載均衡和主備倒換決策、跨域流量配置生成等。

2.3 確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分層架構(gòu)

工業(yè)領(lǐng)域業(yè)務(wù)種類繁多，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要適應(yīng)各類業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的承載需求，并差異化滿足其確定性要求。本文構(gòu)建了一個通用的確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分層架構(gòu)，以應(yīng)對工業(yè)領(lǐng)域碎片化的網(wǎng)絡(luò)需求，具體如圖4所示。

圖4 確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分層架構(gòu)圖

該體系結(jié)構(gòu)基于SDN 網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建了一個開放的、可編程的分層體系結(jié)構(gòu)。此架構(gòu)分為設(shè)備層、控制層、業(yè)務(wù)層及應(yīng)用層，控制層、業(yè)務(wù)層及應(yīng)用層均應(yīng)具備可編程性并在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)接口開放。在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)類型繁雜、需求碎片化的情況下架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)需要承載各類業(yè)務(wù)，同時要差異化保證各類業(yè)務(wù)的確定性，架構(gòu)要兼具通用性和專業(yè)性。依據(jù)此架構(gòu)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型，其通用性從上至下遞減，專業(yè)性自下而上遞增。簡單而言，設(shè)備層被視作通用資源存在，其功能性能需求實際由應(yīng)用層的服務(wù)質(zhì)量決定。

在業(yè)務(wù)發(fā)放階段，應(yīng)用層APP 與工業(yè)應(yīng)用相對應(yīng)，感知工業(yè)應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量；業(yè)務(wù)層的場景級協(xié)調(diào)器則對多類業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求進(jìn)行整合、翻譯及編排，以場景為單位生成網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)模板（時延、抖動、丟包、可靠性、安全性等）；控制層的行業(yè)級控制器則負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為對網(wǎng)絡(luò)資源的需求（路徑、帶寬、QoS 能力、安全分域），并進(jìn)一步生成配置模板下發(fā)給設(shè)備層對全網(wǎng)進(jìn)行實際的設(shè)備配置。

3 確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

3.1 流量調(diào)度

分組傳輸網(wǎng)絡(luò)通常使用QoS系統(tǒng)來評估服務(wù)提供商滿足客戶服務(wù)需求的能力，即評估在傳輸過程中能夠支持帶寬、延遲、延遲抖動和丟包率等核心要求的服務(wù)能力，采用流量調(diào)度提高服務(wù)質(zhì)量保障能力。交通調(diào)度通常基于優(yōu)先級映射，使用交通監(jiān)控和整形、擁堵管理和避免、流量策略等技術(shù)。

作為新一代以太網(wǎng)技術(shù)，TSN 技術(shù)被認(rèn)為是典型的確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，因為它符合標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，具有準(zhǔn)確的流量調(diào)度能力，能夠保證公共網(wǎng)絡(luò)高質(zhì)量傳輸多業(yè)務(wù)流量，并且具有技術(shù)和成本優(yōu)勢。與分組傳輸網(wǎng)絡(luò)的流量調(diào)度類似，TSN 的流量調(diào)度也是基于上述機(jī)制實現(xiàn)的。最為典型的特性就是門控和搶占機(jī)制。

門控機(jī)制是TSN解決幀調(diào)度時延的確定性問題的關(guān)鍵技術(shù)，采用時間感知整形器（TAS）和門控列表（Gate Control Entries，GCEs），通過TAS 實現(xiàn)隊列時隙的時分復(fù)用，并根據(jù)流量的周期性、實時性、等時同步性等特征給每個隊列分配時隙，隔離質(zhì)量要求不同的流量［4］。

搶占機(jī)制是TSN實現(xiàn)流確定低時延傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，在原有機(jī)制基礎(chǔ)上新增加了高速MAC（express MAC，eMAC）和可搶占MAC（preemptable MAC，pMAC），不同優(yōu)先級流量經(jīng)過決策分別由eMAC 和pMAC 轉(zhuǎn)發(fā)，eMAC 幀有絕對的傳輸優(yōu)先權(quán)，可以打斷pMAC 正在轉(zhuǎn)發(fā)的幀，以此來保證eMAC 流量的低時延［5］。

3.2 路徑規(guī)劃

流量調(diào)度技術(shù)是報文在單節(jié)點實現(xiàn)確定性轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)技術(shù)，但是確定性的路徑也是保證報文端到端網(wǎng)絡(luò)確定性的重要因素。無論是基于以太網(wǎng)的TSN還是基于IP 的SRv6 都建立了顯式路徑規(guī)劃技術(shù)。該項技術(shù)可以基于SDN 體系，在數(shù)據(jù)平面用IS-IS（Intermediate System-to-Intermediate System）、LSP（Path Control and Reservation）等協(xié)議執(zhí)行拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和路徑計算等基礎(chǔ)功能，而在SDN 的集中管理控制平面管理顯式路徑，實現(xiàn)與數(shù)據(jù)平面IS-IS協(xié)議的交互。

選擇最短路徑往往可以有效降低業(yè)務(wù)的鏈路時延，因此在相同約束條件（主要受網(wǎng)絡(luò)負(fù)載及業(yè)務(wù)需求影響）的前提下，確定性網(wǎng)絡(luò)需要選擇最短路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。最短路徑優(yōu)先（Constrained Shortest Path First，CSPF）算法是最典型的路徑選擇算法，該算法基于dijkstra 在選擇路徑的時候?qū)崿F(xiàn)了約束的擴(kuò)展，從而挑選出合適的路徑。

3.3 質(zhì)量調(diào)優(yōu)

流量調(diào)度和路徑規(guī)劃都是在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)放階段配置，以提升業(yè)務(wù)傳輸?shù)拇_定性。在業(yè)務(wù)運(yùn)行階段，現(xiàn)網(wǎng)狀態(tài)的變化可能會導(dǎo)致業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量劣化。因此在線實時根據(jù)業(yè)務(wù)質(zhì)量變化進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源、配置的調(diào)整是實現(xiàn)業(yè)務(wù)穩(wěn)定、保證確定性傳輸?shù)年P(guān)鍵。

SDN 控制器通過引入人工智能技術(shù)，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的智能優(yōu)化［6］，具體如圖5所示。

圖5 SDN融合AI技術(shù)示意圖

要構(gòu)建確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，首先需要明確工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量要求，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)相關(guān)業(yè)務(wù)需求的提煉，同時進(jìn)一步將其量化成為業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)，可以針對一個場景范圍的業(yè)務(wù)進(jìn)行質(zhì)量指標(biāo)聚類建模，初步構(gòu)建業(yè)務(wù)模型。然后根據(jù)算法將業(yè)務(wù)體驗指標(biāo)向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)映射，并根據(jù)服務(wù)質(zhì)量形成網(wǎng)絡(luò)資源配置的約束條件，映射到網(wǎng)絡(luò)資源模板，最終形成網(wǎng)絡(luò)配置下發(fā)給網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)承載運(yùn)行過程中，還需要實時監(jiān)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，采集實時的業(yè)務(wù)體驗數(shù)據(jù)，與質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)體驗數(shù)據(jù)低于質(zhì)量指標(biāo)閾值，則觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整機(jī)制。相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在線對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，如果網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)出現(xiàn)異?；蛘叻?wù)質(zhì)量低于指標(biāo)，也將觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)倒換或調(diào)優(yōu)機(jī)制。

此外，實時獲得的業(yè)務(wù)體驗質(zhì)量及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)還將用于訓(xùn)練業(yè)務(wù)模型、算法模型以及映射算法的參數(shù)，使業(yè)務(wù)體驗對網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動更精準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)可以更精確地匹配業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求［7］。

4 結(jié)束語

隨著產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的不斷加快，傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的優(yōu)化升級及新型業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)作為信息通信領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施，在復(fù)雜場景下對綜合承載的各類業(yè)務(wù)實現(xiàn)差異化質(zhì)量保證，確定性網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為其發(fā)展的必然方向。確定性網(wǎng)絡(luò)相關(guān)新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如TSN、FlexE、5G uRLLC、SRv6、邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)分片、算網(wǎng)融合等。

確定性網(wǎng)絡(luò)目前雖然已經(jīng)漸漸成為產(chǎn)業(yè)界及學(xué)術(shù)界的關(guān)注和研究熱點，但在概念、內(nèi)涵及關(guān)鍵技術(shù)等方面還處于百花齊放的狀態(tài)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)具有需求場景碎片化、業(yè)務(wù)模型多樣化、網(wǎng)絡(luò)資源復(fù)雜化的特點，確定性主要體現(xiàn)在對網(wǎng)絡(luò)傳輸指標(biāo)（帶寬、時延、抖動、丟包）的精準(zhǔn)保證上，這些指標(biāo)則需要根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求實現(xiàn)量化，確定性則需要根據(jù)指標(biāo)量化選擇合適的確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實現(xiàn)。

確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需要構(gòu)建靈活統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量體系及技術(shù)架構(gòu)，來兼顧多業(yè)務(wù)共網(wǎng)傳輸?shù)某杀疽蛩嘏c差異化業(yè)務(wù)質(zhì)量保證的性能因素，才能滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中傳統(tǒng)業(yè)務(wù)升級改造及新興業(yè)務(wù)對于網(wǎng)絡(luò)承載的質(zhì)量要求。