工业互联网呼唤新型5G2B架构

　　6月17日，第五届未来网络发展大会在南京召开。在下午的高峰论坛上，中国工程院院士邬贺铨做了题为《从5G 2C到5G 2B》的主题演讲。他指出，将5G to C的架构直接搬到5G to B，不适应企业内网及与OT（操作技术）融合的需要。我们需要开发新型5G to B架构，支持企业网低时延、高可靠、高安全的应用。

　　5G与工业互联网均存在误区

　　针对社会上对于5G赋能千行百业的议论，邬贺铨指出5G与工业互联网的发展均存在误区。目前工业互联网发展存在的误区主要体现在两个方面。

　　头重脚轻：回避垂直行业企业现场数据难采集问题而主攻企业大脑和平台，但企业大脑只是汇集底层统计数据和外部数据，对实时性要求不高，车间级直接对生产过程控制的企业小脑更为重要。

　　避重就轻：受限于现场级工控设备的协议开放性，不从机器联网做起，企业小脑也无数据可挖掘。

　　同样，5G在工业互联网的应用也存在两点误区。

　　重外轻内：企业的机器数据和传感器数据基本不出企业网，但现在过分关注建设跨企业的标识系统和高质量的企业外网。

　　以外替内：将5G to C的架构直接搬到5G to B，不适应企业内网及与OT融合的需要。5G全连接工厂并不现实。目前，5G主要应用在现场级且多为机器视觉类视频传送，尚未进入主流应用。

　　三种应用级别要求各不相同

　　邬贺铨从企业现场级、过程监控与生产管理级和网络与业务应用级展开了详细介绍。

　　企业现场级主要有两种模式：可编程逻辑控制器（PLC）和5G工业模组及基站。

　　PLC采用可编程存储器，通过轮询现场级各端口开关量、数字量和模拟量，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算等操作命令，控制各类机器和生产过程。但由于各厂家标准不同导致标准碎片化，不同厂家的设备不能兼容。

　　5G工业模组可以连接移动终端。工业互联网5G基站的建设又分为三种：一是企业共享运营商建设的5G基站与核心网。核心网用户面功能（UPF）下沉到企业，5G工业模组登记在公网，数据不会离开企业去运营商处，不用担心数据安全问题。二是企业共享运营商建设的基站但自建核心网，5G工业模组登记注册和数据均在内网。三是企业申请专用频率自建基站和核心网，基站可集成UPF及5GC等功能，更安全可控及低时延。

　　总的来说，PLC模式采用的是主从架构，周期性分时轮询，是OT模式，缺点在于标准碎片化；5G工业模组是扁平化的，用的是传统标准以太网协议，适用非周期数据，采用统计复用机制，优点是实现了OT和IT的融合，缺点是不能保证时延，所以往往需要TSN来支撑。

　　企业现场级TSN基于时钟同步、数据调度、可靠性机制等技术，通过在标准以太网第2层的时隙引入优先等级标签，允许高优先级帧抢占低优先级帧的传输时间以保证低时延。TSN作为虚拟局域网可以实现TSN over 5G。在TSN之上可以承载各种现场级工控协议。支持周期性与非周期性数据同传，从而实现链路层上支持IT与OT融合。

　　在过程监控与生产管理级，SCADA起着关键作用。SCADA位于管理调度层，采集监控现场级数据，接受事件驱动，提供人机接口，实现告警处理、报表输出及可视化、动态模拟等。但本身和PLC协议开放性均不足，需针对性配置参数与应用程序才能实现PLC与SCADA通信。上位机的操作系统大都采用Windows，与底层不同，因此需与底层OT融合。

　　网络与业务应用级采用基于IPv6的网络层。IPv6可实现真实源地址溯源，并留有很大的编程空间，可开发更多的功能。首先是APN6（应用感知网），应用感知功能，传统的IPv4只支持选路，并不知道IP包承载的是什么业务，现在IPv6包可以定义业务服务质量，网络感知业务需求。其次是iFIT（随流检查），过去信道检测是个难题，往往只能事后离线检测，iFIT能够将OAM指令嵌入用户报文IPv6包，可实现丢包、时延等分段检测。最后，通过IPv6可以采用SRv6分段路由，在IPv6扩展头中指定流量转发路径，支持低时延、组播、快速倒换和并发冗余传输，实现高可靠性。SRv6有望成为端边云网统一的简化通信协议。

　　网络与业务应用级基于OPC-UA的应用层，OPC-UA是过程控制对象连接与嵌入协议，适用于多种硬件平台，也兼容多种软件平台，是一个翻译器。OPC-UA over TSN打通了从传感器到云，将IT和OT在语义层面互通。

　　高起点工业互联网呼唤新型5G to B架构

　　目前，我国机械行业80%的设备仍采用传统的继电器和接触器进行控制，尚未使用工控系统产品。已用的大中型产品中95%的PLC、75%的小型PLC、49%的DCS、70%的高端SCADA都来自国外，安全漏洞令人担心，且不少属于相关制造商的专有方案，协议不开放。一个典型工厂的控制点在20世纪90年代末仅有5万个，到2030年将增加到55万个，原有的工控产品难以支持。此外，很多工控产品已使用十多年。

　　邬贺铨提出，要开发新型工控设备，高起点建设工业互联网。现在边缘计算、5G工业模组、智联网、区块链、IPv6、TSN等技术发展迅猛，将这些技术集成进新型可信工控网关势在必行。工厂内网要推进IT与OT无缝融合，朝着扁平化、IP化、智能化发展，推动机器联网，盘活生产线数据。

　　除此之外，还要开发适应企业网特点的网络架构。公众网核心网的控制平台离终端比较远，下行业务带宽高，而企业网核心网是下沉到企业，主要业务终结在车间，而且往往上行要求高，对时延敏感，企业网本身很重视安全和可靠性，不能简单靠切片来保障，需考虑多信道冗余并发，但需设置多AP点等以保证多信道不受干扰。

　　5G to C的网络架构可以用到部分企业网，但对大中型企业来说并非科学合理的模式。5G to B 需要轻型网络架构，可采用5G专网或公网上逻辑切片方式支持5G to B的新架构。

　　最后，邬贺铨做出了以下四点总结：一是传统基于现场级工控设备的工业互联网层级多、标准碎片化、IT/OT融合困难、网络安全性低。

　　二是5G不仅为工业互联网的现场级增加了可供选择的接入模式，而且在5G工业模组基础上融合新一代信息技术的新型工控网关，将推动工业互联网扁平化、IP化、无线化，展现工业互联网的新格局，也可开拓5G工业应用新空间。

　　三是5G to C的架构并不都适合5G to B的企业应用场景，需要深入研究企业网络的需求，开发新型5G to B架构，支持企业网低时延、高可靠、高安全的应用。

　　四是开发5G to B新架构和新型5G工控网关需要加强产学研用合作，立足创新，明确需求标准起步、试点推进、形成产业，支撑我国工业高质量可持续发展。

　　责任编辑：姚治