海爾智能工廠基于SDN+TSN融合網(wǎng)絡測試床
為了適應工廠數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的業(yè)務發(fā)展需求，海爾擬在新建工業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡中引入TSN、IPv6、SDN等新型網(wǎng)絡技術，構建一張靈活定義、多維可視、質量保障、安全可靠的園區(qū)網(wǎng)絡，實現(xiàn)工業(yè)場景下人員、設備、物料、產(chǎn)品各生產(chǎn)要素的互聯(lián)，為工廠實現(xiàn)智能生產(chǎn)、協(xié)同制造和柔性制造提供網(wǎng)絡支撐，為M2M、安全巡檢、設備監(jiān)測、視頻監(jiān)控等業(yè)務應用提供支撐，并形成針對典型工業(yè)場景化園區(qū)網(wǎng)絡的基線標準。
一、關鍵詞
SDN控制器 ，TSN網(wǎng)絡
二、發(fā)起公司和主要聯(lián)系人聯(lián)系方式
海爾集團 張濤 13385320088
新華三技術有限公司 鞏飛 13210037171
三、合作公司
該測試床由以下參與方共同建設：
海爾集團
新華三技術有限公司
四、測試床項目目標和概述
該測試床適用于制造業(yè)工廠內網(wǎng)絡的建設和升級改造，建成后的網(wǎng)絡能夠滿足海爾柔性制造、協(xié)同生產(chǎn)、個性化定制的業(yè)務需求。
測試床的主要測試目標包括：
1. 基于SDN技術部署工廠有線無線網(wǎng)絡，SDN控制器北向對接COSMO平臺的功能組件，南向對網(wǎng)絡的spine、leaf節(jié)點進行管理，實現(xiàn)網(wǎng)絡設備自動配置和業(yè)務快速部署，提升IT人員工作效率，減少人力投入。
2. 通過SDN控制器納管產(chǎn)線部署的TSN交換機，構建TSN網(wǎng)絡的流量模型，滿足產(chǎn)線指令信息確定性、低時延的傳輸要求。
五、測試床解決方案架構
（一）測試床應用場景
本次測試床部署在海爾新建工廠內，測試床擬選取工廠的部分產(chǎn)線部署TSN網(wǎng)絡，產(chǎn)線TSN交換機通過千兆/萬兆鏈路上行接入?yún)R聚/核心交換機，構成整個廠區(qū)有線網(wǎng)絡。工廠廠區(qū)弱電機房部署SDN控制器和相關安全設備。
（二）測試床重點技術
交換機通過802.11AS協(xié)議保證全網(wǎng)時鐘的精度同步，在測試床驗收測試環(huán)節(jié)將測試全網(wǎng)TSN交換機的時鐘精度。
在全網(wǎng)設備的時鐘同步后，交換機通過802.1Qbv、802.1Qbu協(xié)議對特定信息流預留帶寬資源并提供優(yōu)先保證。
整個廠區(qū)采用SDN方案組Vxlan大二層網(wǎng)絡，TSN交換機作為SDN方案中的access節(jié)點被控制器統(tǒng)一納管，方便了廠區(qū)IT人員的運維，實現(xiàn)了對廠區(qū)各種IP終端（攝像頭、打印機）的接入管理和流量監(jiān)控。
（三）技術創(chuàng)新性及先進性
本次測試床主要是在三個方面進行探索：
TSN交換機如何經(jīng)濟有效地部署在廠區(qū)網(wǎng)絡中。因為TSN交換機的芯片成本較高，所以從成本考慮不建議核心、匯聚交換機都要支持TSN相關協(xié)議。那么如何在組網(wǎng)層面進行設計，兼顧生產(chǎn)需求和部署成本，就是測試床創(chuàng)新的第一個方面。
廠區(qū)物聯(lián)終端全生命周期的管理。廠區(qū)當中存在多種IP終端，包括PC、Pad、攝像頭、掃碼槍，AGV小車等等。測試床網(wǎng)絡方案中支持通過SDN控制器中的自動分揀引擎ASE來識別物聯(lián)終端類型（識別方式主要通過Mac OUI字段、DHCP報文、HTTP報文），識別終端類型后自動下發(fā)對應的網(wǎng)絡策略。同時，通過終端探測系統(tǒng)EPS，實現(xiàn)對接入網(wǎng)絡終端的安全掃描和精細監(jiān)控。
TSN交換機納入整個廠區(qū)SDN組網(wǎng)方案中，這在國內屬于先行探索階段，我們也會定期反饋實施過程中遇到的技術問題。
（四）測試床解決方案架構
上圖是海爾新建工廠網(wǎng)絡的整體部署架構，測試床的重點在上圖左下角的產(chǎn)線TSN交換機環(huán)網(wǎng)上，根據(jù)產(chǎn)線信息點的點位情況，TSN交換機的數(shù)量、布放位置、組網(wǎng)會有微調。
在廠區(qū)建設一個小型弱電機房，除了部署海爾自有的Cosmo-MES、Cosmo-SCADA等軟件外，部署SDN控制器軟件，SDN組網(wǎng)方案選擇EVPN+VxLAN的方式，核心交換機和匯聚交換機應支持VxLAN特性。同時為了滿足廠區(qū)大量IP終端的管理需要，部署相應的終端管理軟件。
六、預期成果
（一）測試床的預期測試結果，針對測試項
1. 全網(wǎng)TSN交換機的時鐘同步精度預期保持在200ns內，全網(wǎng)TSN交換機網(wǎng)絡的端到端時延（最大7跳）小于1ms。
2．通過SDN控制器，能夠實現(xiàn)全網(wǎng)網(wǎng)絡設備的統(tǒng)一納管，支持一鍵下發(fā)相關配置，減輕運維工作量。同時SDN控制器和終端管理軟件能夠實現(xiàn)對廠區(qū)各類IP終端的類型識別，配置自動下發(fā)和精細監(jiān)控。
3. 通過SDN控制器，對工廠網(wǎng)絡資源進行集中管控，從全局的視角進行資源調度，靈活、合理地為不同網(wǎng)絡需求的業(yè)務進行智能選路。同時根據(jù)網(wǎng)絡的運行狀況和流量變化，對網(wǎng)絡路徑進行動態(tài)調整，持續(xù)優(yōu)化網(wǎng)絡流量分布，在提高網(wǎng)絡利用率的同時保障時間敏感應用的實時性需求，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)與非實時數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡中傳輸。
（二）商業(yè)價值
1.為產(chǎn)線工作人員提供一套低時延、高可靠的網(wǎng)絡，整網(wǎng)可靠性達到99.995%，產(chǎn)線接入環(huán)網(wǎng)端到端時延（最大7跳）小于1ms。
2.為工廠IT運維人員提供一套能夠快速部署和易運維的柔性網(wǎng)絡，整網(wǎng)部署時間大大縮短，同時產(chǎn)線網(wǎng)絡可以根據(jù)產(chǎn)線生產(chǎn)設備的位置變動針對場景的無線需求（PDA、AGV小車或是工廠不適合部有線網(wǎng)絡的區(qū)域），提供高效的無線覆蓋，移動漫游時間縮短到30ms內。
3.為海爾Cosmoplat平臺提供開發(fā)的Restful API接口，使得Cosmoplat的多個軟件組件可以快速對接SDN控制器，為應用驅動網(wǎng)絡奠定基礎。
（三）經(jīng)濟效益
基于SDN的柔性網(wǎng)絡迎合了海爾大規(guī)模定制化的需要，使得工廠整定制化訂單交付周期大大縮短。整網(wǎng)時延、可靠性等各項性能得到進一步提升，將IT運維人員從重復工作中剝離出來，提升IT運維人員的工作效率，減少部署或排除故障的時間。
（四）社會價值
目前國內TSN網(wǎng)絡在產(chǎn)線的部署才剛開始，需要有比較好的最佳實踐作為其他工廠的建設參考。本次測試床的價值就是探索一套性價比高的部署方案，為TSN網(wǎng)絡在國內大規(guī)模部署提供實踐依據(jù)。
七、測試床技術可行性
海爾負責提供產(chǎn)線測試環(huán)境和產(chǎn)線生產(chǎn)設備，H3C負責提供網(wǎng)絡設備和相關的SDN控制器、終端管理軟件。整個測試床方案所用到的產(chǎn)品已基本研發(fā)完成，測試環(huán)境已具備，整個測試床實施可行性較高。
物理平臺
序列 | 設備名稱 | 設備用途 |
1 | 服務器 | 承載COSMO平臺對應的MES、SCADA、WMS等軟件，同時部署SDN控制器軟件、終端控制軟件。 |
2 | TSN交換機 | 部署于產(chǎn)線信息點附近的電器柜或機柜中，以兆鏈路組環(huán)網(wǎng) |
3 | 核心/匯聚交換機 | 部署于廠區(qū)機房 |
3 | 防火墻 | 部署于廠區(qū)機房 |
軟件平臺
序列 | 設備名稱 | 設備用途 |
1 | SDN控制器 | 部署于廠區(qū)機房服務器中，實現(xiàn)對全網(wǎng)設備的管理運維。 |
2 | 終端管理軟件 | 部署于廠區(qū)機房服務器中，負責對廠區(qū)IP物聯(lián)終端進行管理 |
3 | 工業(yè)軟件 | COSMOPlat-MES 、COSMOPlat-SCADA、COSMOPlat-WMS等等 |
八、和AII技術的關系
（一）與AII總體架構的關系
該測試床遵循AII發(fā)布的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構，在海爾工廠智能工廠內網(wǎng)絡的建設符合數(shù)字化工廠網(wǎng)絡需求。測試平臺將在網(wǎng)絡框架的建設過程中提供反饋，以報告的形式分享經(jīng)驗。
（二）與已存在AII測試床的關系
該測試床項目與之前已經(jīng)審批的測試床無任何關聯(lián)。
九、交付件
測試床的交付件包括：
測試床項目計劃書
測試床部署實施方案
測試用例清單
測試床結題報告
十、測試床使用者
該測試床是海爾集團基于新建工廠的SDN+TSN工廠網(wǎng)絡部署實踐，利用TSN、SDN、IPv6等新興技術，支撐海爾大規(guī)模定制的柔性制造需求。第三方的企業(yè)與用戶如需參觀訪問該測試床，可向海爾集團提出書面申請，海爾集團將在保障工廠安全生產(chǎn)與不影響自身業(yè)務的前提下，酌情接洽，開展訪問、交流事宜。
十一、知識產(chǎn)權說明
該測試床由海爾集團和新華三技術有限公司設計、建設、運營，其過程中產(chǎn)生的開發(fā)成果及其知識產(chǎn)權，包括但不限于專利申請權、專利權、版權、商業(yè)秘密，均歸海爾集團和新華三技術有限公司所有。
十二、部署，操作和訪問使用
測試床部署方案如下：
產(chǎn)線接入層，根據(jù)現(xiàn)場信息點的點位部署工業(yè)TSN交換機，擬部署7臺以上TSN交換機，根據(jù)現(xiàn)場位置組環(huán)網(wǎng)。TSN交換機萬兆上行至生產(chǎn)匯聚交換機。
安全方面，在核心交換機與生產(chǎn)匯聚交換機間部署一對防火墻，保護生產(chǎn)區(qū)域，同時將服務器區(qū)設置為防火墻DMZ區(qū)。
軟件層面，增加SDN管理軟件，對工廠網(wǎng)絡設備進行統(tǒng)一監(jiān)控和管理；增加無線管理組件，對整網(wǎng)無線進行統(tǒng)一管理；增加終端管理組件，對生產(chǎn)網(wǎng)IP終端進行接入認證。
十三、資金
本測試床項目所需資金約200萬元，由海爾集團自行籌措并展開建設。
十四、時間軸
2020年1月，在海爾試點完成測試基礎網(wǎng)絡環(huán)境搭建，并部署SDN管理軟件。
2020年3月，完成測試用例設計，測試用例包括網(wǎng)絡性能測試、與Cosmoplat平臺對接測試、功能性測試等方面。
2020年6月，按用例要求進行第一階段測試，測試內容主要包括TSN網(wǎng)絡的傳輸時延，與SDN控制器的對接情況。
2020年11月，進行第二階段測試，主要測試內容是基于SDN控制器實現(xiàn)全網(wǎng)的流量調度，以保證工業(yè)指令的確定性傳輸。
十五、附加信息
該測試床以海爾新建工廠為基礎進行實踐，可滿足多行業(yè)智能工廠需求，適用于制造業(yè)工廠內網(wǎng)絡的建設和升級改造。
聲明
本報告所載的材料和信息，包括但不限于文本、圖片、數(shù)據(jù)、觀點、建議，不構成法律建議，也不應替代律師意見。本報告所有材料或內容的知識產(chǎn)權歸工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟所有（注明是引自其他方的內容除外），并受法律保護。如需轉載，需聯(lián)系本聯(lián)盟并獲得授權許可。未經(jīng)授權許可，任何人不得將報告的全部或部分內容以發(fā)布、轉載、匯編、轉讓、出售等方式使用，不得將報告的全部或部分內容通過網(wǎng)絡方式傳播，不得在任何公開場合使用報告內相關描述及相關數(shù)據(jù)圖表。違反上述聲明者，本聯(lián)盟將追究其相關法律責任。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟
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