中国信通院：面向工业互联网的确定性IP网络白皮书（25页）.pdf

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1、从尽力而为的 IP 转发，到路径可控的 MPLS TE 转发，IP 广域网一直靠大带宽概率性地达成时延目标，在高负载和流量突发时依然无法提供确定性时延保障。这就需要 IP 广域网络能够提供时延抖动“可控”的能力。使用确定性 IP 网络技术可以在继承传统 IP 网络统计复用优势的基础上，消除因排队带来的转发抖动，从“大概率保证服务质量”变为“确定性保证服务质量”，从而带来数据面的实质进步。确定性 IP 技术通过基于周期的排队和转发技术，可以实现报文的定时发送、定长排队，时延可预期的网络传输。在工业互联网场景中，分为广域确定性 IP 方案和局域确定性 IP 方案。两种方案技术同源，可以实现无缝的数

2、据面对接，实现“一网到底”的高精度工业互联网网络。说明了确定性 IP 网络参考解决方案的组成，其中包括终端 CE、入口 PE 节点、支持确定性转发能力的 P 节点、控制器等，整体流程如下： 首先所有网络设备(PE节点及P节点)需要保持微秒级周期相对固定; 其次对每个准许接入的确定性业务需要进行路径计算、资源预留等操作; 前两条完成之后，可以开始传送确定性业务的报文。用户报文的流量模型需要满足资源预留的约束; 确定性网络边缘设备需要对用户报文进行流量整形，并为报文打上初始周期标签，正式进入确定性周期转发流程; 数据包携带周期标签发往下游设备，当数据包抵达下游确定性路由器后，路由器根据本地维护的周

3、期映射关系表，替换数据包中的周期标签并将数据包送入相应的队列等待转发; 每个P节点及PE都维护着特定数量的确定性队列，并对这些队列进行周期门控调度。工业互联网确定性 IP 网络参考图如图 5 所示。广域确定性 IP 技术能够适应网络规模大、业务数量多、业务颗粒度灵活的网络场景。这主要得益于其中间节点聚合调度，无需维护逐业务实例状态的机制。该网络中，报文的时延抖动指标与网络跳数无关，中间节点并不需要维持过多状态。从而可以避免“路径状态 N 方增长问题”。其灵活颗粒度资源预留机制，可使得业务实例的数量上限仅依赖于瓶颈资源总量，而不受限于其他因素。局域确定性 IP 技术可以有效支撑未来工厂网络承载多

4、种工业流量，如办公 IT、生产 IT、部分 OT 流量等。在有效隔离并保证关键流量通信指标的前提下，可以实现多种流量对网络资源的统计复用，降低工厂网络复杂度，降低总体拥有成本和供应商粘性。确定性是基于 IP 技术的能力增强，本质特征仍然是对网络资源的分时复用。为了保证工业互联网场景中的特定流量满足确定性时延传输的要求，叠加了周期排队和转发(CQF)的机制。由于 IP 网络需要担负连接大规模、长距离广域网的需求，相较于需要上下游节点严格时间同步的经典 CQF 技术，确定性技术放宽了时间同步要求，从而可以实现大规模网络的部署。基于 IP 的确定性网络技术可以支持工业控制等关键流量跨越广域网络，大大

5、扩展了工业控制系统部署的灵活性，提升了工业控制效率。IP 作为应用最广泛的网络互联技术，基于 IP 的确定性网络能力可以真正使能端到端的确定性承载网络，通过网络侧的汇聚能力实现最大程度的工业控制网络组网灵活性、提高产线升级改造效率。相比于传统的工业总线技术， IP 模组的产业基础更具优势，其相对较低的网络器件成本可以有效促进产线成本下降。随着工业互联网的快速发展，传统工业 PLC 的各种弊端逐渐显露出来：各厂家 PLC 通讯协议种类繁多，不可互通(例如有 EtherNet/IP，Profinet，EtherCAT，Ethernet PowerLink 等);PLC 数据无法直接上云，进行大数据分析。传统 PLC 技术带来的这些限制已经成为制约工业控制体系进行深入技术革新的制约因素。中国电信上海公司联合华为在某国产 PLC 自动化实验室开展 PLC 远程控制测试，验证通过长距离的广域 IP 网络传输工业 PLC 控制信号，为工业控制云化、大数据上云奠定了坚实基础。