數(shù)字化工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需求、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)分析

摘要：

隨著工業(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(jí)及新型業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)設(shè)施，需要在復(fù)雜場(chǎng)景下對(duì)綜合承載的各類(lèi)業(yè)務(wù)實(shí)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。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為確定性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要場(chǎng)景，對(duì)于確定性網(wǎng)絡(luò)要求高，業(yè)務(wù)場(chǎng)景復(fù)雜，其垂直行業(yè)需求呈現(xiàn)碎片化的特點(diǎn)，需要構(gòu)建靈活統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)并融合相關(guān)新技術(shù)，來(lái)推動(dòng)確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不斷演進(jìn)。

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(gè)體用戶的消費(fèi)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(chǎng)景下引發(fā)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的優(yōu)化升級(jí)，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(guò)人機(jī)物全面互聯(lián)實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個(gè)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(shí)現(xiàn)演進(jìn)升級(jí)，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(lèi)業(yè)務(wù)差異化的承載質(zhì)量要求，解決復(fù)雜性問(wèn)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(shí)現(xiàn)智能化的生產(chǎn)決策與設(shè)備控制，解決確定性問(wèn)題。簡(jiǎn)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(chǎng)景下對(duì)綜合承載的各類(lèi)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)差異化質(zhì)量保證的確定性網(wǎng)絡(luò)。目前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)化組織都已經(jīng)開(kāi)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(chǎng)景。隨著以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(shí)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)組織IETF（InternetEngineeringTaskForce）于2015年成立了確定性網(wǎng)絡(luò)（DeterministicNetworking）工作組，與IEEETSN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(bào)告22.804中將工業(yè)作為典型場(chǎng)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(jì)劃在R18階段重點(diǎn)開(kāi)展時(shí)間敏感通信研究（TSC）。2018年起，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）各個(gè)工作組也積極開(kāi)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(duì)工業(yè)場(chǎng)景下確定性網(wǎng)絡(luò)、時(shí)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(dòng)制定工作。雖然產(chǎn)業(yè)界內(nèi)對(duì)于確定性網(wǎng)絡(luò)的研究如火如荼，什么是確定性，如何實(shí)現(xiàn)確定性仍是目前確定性網(wǎng)絡(luò)需要明確的2個(gè)主要問(wèn)題。確定性主要體現(xiàn)在對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸指標(biāo)（帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)、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(chǎng)景的實(shí)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(lái)實(shí)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(duì)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。01確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需求工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的整個(gè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)流程大體可分為研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、物流倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)維服務(wù)等場(chǎng)景。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(dòng)/過(guò)程控制、監(jiān)控及測(cè)量、機(jī)器視覺(jué)、數(shù)字孿生、精準(zhǔn)定位，預(yù)測(cè)性維護(hù)等6個(gè)典型場(chǎng)景中，由于流量特征的差異，不同場(chǎng)景對(duì)于確定性網(wǎng)絡(luò)的能力要求不盡相同。表1從帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)、丟包、時(shí)間同步等網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)分析了上述場(chǎng)景對(duì)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(chǎng)設(shè)備，需要同時(shí)具備實(shí)時(shí)通信和非實(shí)時(shí)通信能力，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸確定性要求極高，其流量具有報(bào)文長(zhǎng)度小、周期性信號(hào)（測(cè)量、控制及監(jiān)控）與非周期性信號(hào)（告警、程序上下載）共存、有限時(shí)間響應(yīng)、較為固定的信息流向以及信息保序要求等特點(diǎn)。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(diǎn)?？梢钥闯鲂滦凸I(yè)網(wǎng)絡(luò)將是一張業(yè)務(wù)種類(lèi)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(lèi)流量的確定性的實(shí)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(lèi)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(shí)延控制、資源調(diào)配、跨域互通等3方面問(wèn)題。1.1

時(shí)延控制問(wèn)題端到端時(shí)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(shí)延上限，甚至是抖動(dòng)上限。確定性網(wǎng)絡(luò)更專注于時(shí)延最大值不大于閾值，消除統(tǒng)計(jì)分布的長(zhǎng)尾，如圖1所示。圖1網(wǎng)絡(luò)時(shí)延采樣分布示意圖確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延主要由轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、協(xié)議時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延以及物理時(shí)延組成。轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延主要由轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)流程決定（如存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)查表）。協(xié)議時(shí)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(shí)延）。排隊(duì)時(shí)延則是由流量擁塞導(dǎo)致。物理時(shí)延則是與傳輸距離及介質(zhì)相關(guān)【2】。端到端時(shí)延的控制需要基于對(duì)于各類(lèi)時(shí)延的聯(lián)合控制，可以通過(guò)優(yōu)化分組轉(zhuǎn)發(fā)流程，減少轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延；通過(guò)傳送協(xié)議創(chuàng)新，減少協(xié)議時(shí)延；通過(guò)更優(yōu)的流量工程方法緩解甚至避免擁塞，減少排隊(duì)時(shí)延；通過(guò)聯(lián)合部署邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)等方式，控制物理時(shí)延。除了物理時(shí)延以外，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、協(xié)議時(shí)延及排隊(duì)時(shí)延都是在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部產(chǎn)生。1.2

資源調(diào)配問(wèn)題工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)傳輸跳數(shù)及距離的最優(yōu)化。1.3

跨域互通問(wèn)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(shí)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(wèn)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)及參數(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。02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(guò)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(gè)大類(lèi)。工廠內(nèi)網(wǎng)主要指工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)，可以滿足控制系統(tǒng)信號(hào)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(wú)法滿足產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大趨勢(shì)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(yíng)商網(wǎng)絡(luò)2種運(yùn)營(yíng)模式。園區(qū)網(wǎng)絡(luò)是指以實(shí)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(yíng)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(huì)議、遠(yuǎn)程控制、預(yù)測(cè)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(duì)標(biāo)消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)業(yè)務(wù)，如供應(yīng)鏈、銷(xiāo)售所涉及的網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)、電子商務(wù)等，對(duì)于確定性要求相對(duì)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(gè)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(cè)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(chǎng)實(shí)時(shí)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(guò)運(yùn)營(yíng)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?；诖耍_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(guò)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(duì)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(diǎn)，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(jí)拓?fù)?、全局信息處理、?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(lèi)繁多，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要適應(yīng)各類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)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(gè)通用的確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分層架構(gòu)，以應(yīng)對(duì)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(gè)開(kāi)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(shí)現(xiàn)接口開(kāi)放。在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)類(lèi)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(lèi)業(yè)務(wù)，同時(shí)要差異化保證各類(lèi)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(jiǎn)單而言，設(shè)備層被視作通用資源存在，其功能性能需求實(shí)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(duì)應(yīng)，感知工業(yè)應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量；業(yè)務(wù)層的場(chǎng)景級(jí)協(xié)調(diào)器則對(duì)多類(lèi)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(chǎng)景為單位生成網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)模板（時(shí)延、抖動(dòng)、丟包、可靠性、安全性等）；控制層的行業(yè)級(jí)控制器則負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為對(duì)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(duì)全網(wǎng)進(jìn)行實(shí)際的設(shè)備配置。03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(lái)評(píng)估服務(wù)提供商滿足客戶服務(wù)需求的能力，即評(píng)估在傳輸過(guò)程中能夠支持帶寬、延遲、延遲抖動(dòng)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(jí)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?yàn)樗蠘?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(shì)。與分組傳輸網(wǎng)絡(luò)的流量調(diào)度類(lèi)似，TSN的流量調(diào)度也是基于上述機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。最為典型的特性就是門(mén)控和搶占機(jī)制。門(mén)控機(jī)制是TSN解決幀調(diào)度時(shí)延的確定性問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，采用時(shí)間感知整形器（TAS）和門(mén)控列表(GateControlEntries，GCEs),通過(guò)TAS實(shí)現(xiàn)隊(duì)列時(shí)隙的時(shí)分復(fù)用，并根據(jù)流量的周期性、實(shí)時(shí)性、等時(shí)同步性等特征給每個(gè)隊(duì)列分配時(shí)隙，隔離質(zhì)量要求不同的流量。搶占機(jī)制是TSN實(shí)現(xiàn)流確定低時(shí)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M(fèi)AC（expressMAC,eMAC）和可搶占MAC（preemptableMAC,pMAC），不同優(yōu)先級(jí)流量經(jīng)過(guò)決策分別由eMAC和pMAC轉(zhuǎn)發(fā)，eMAC幀有絕對(duì)的傳輸優(yōu)先權(quán)，可以打斷pMAC正在轉(zhuǎn)發(fā)的幀，以此來(lái)保證eMAC流量的低時(shí)延。3.2

路徑規(guī)劃流量調(diào)度技術(shù)是報(bào)文在單節(jié)點(diǎn)實(shí)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(bào)文端到端網(wǎng)絡(luò)確定性的重要因素。無(wú)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(xiàng)技術(shù)可以基于SDN體系，在數(shù)據(jù)平面用IS-IS（IntermediateSystem-to-IntermediateSystem）、LSP（PathControlandReservation）等協(xié)議執(zhí)行拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和路徑計(jì)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(shí)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(shí)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（ConstrainedShortestPathFirst，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(shí)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(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量劣化。因此在線實(shí)時(shí)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(shí)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(guò)引入人工智能技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的智能優(yōu)化，具體如圖5所示。圖5SDN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(lèi)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(shí)進(jìn)一步量化成為業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)，可以針對(duì)一個(gè)場(chǎng)景范圍的業(yè)務(wù)進(jìn)行質(zhì)量指標(biāo)聚類(lèi)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(yàn)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(guò)程中，還需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況