工业互联网网络连接概述

网络在工业互联网体系是基础，为人、机、物全面互联提供基础设施，促进各类工业数据的充分流动和无缝集成。在之前的发文中，基于AII的工业数据采集产业研究报告对工业数据的采集范围做过简单的介绍（详见工业数据采集之范围和产品概述）。

1.网络连接框架

遵从AII的网络连接框架，包括网络互连和数据互通两个层次，其中网络互连包括工厂内网络和工厂外网络，数据互通是指实现数据和信息在各要素间、各系统间的无缝传递，使得异构系统在数据层面实现数据互操作和信息集成。 

2.网络互连

网络互连包括工厂内网络和工厂外网络。

（1）工厂内网络

当前，工厂内网络一般为“两层三级”的结构，“两层”是指技术异构的工厂IT网络和工厂OT网络，“三级”是指目前的管理层级，一般划分为“现场级”、“车间级”和“工厂/企业级”三级，每级之间的网络配置和管理策略相对独立。如下图示意：

在现场级，工业现场总线被大量用于连接现场检测传感器、执行器与工业控制器等。在车间级，网络通信主要是完成控制器之前、控制器与本地或者远程监控系统之间，以及控制器与运营级之间的通信连接，这部分主流的通信方式是采用工业以太网通信方式。在工厂/企业级，通常采用高速以太网以及TCP/IP方式进行网络互连。

相应的，目前工业控制领域常用的通信协议主要有三类：现场总线、工业以太网和工业无线网协议。

针对有线网络，按照协议层次划分：一是物理层，主要有单对双绞线以太网和工业PON；二是链路层，主要有时间敏感网络TSN；三是网络层，主要有确定性网络DetNet。

针对无线网络，在工厂内采用无线网络，可以消除线缆对车间内人员羁绊、纠缠等危险，使工厂内环境更安全、整洁，且具有低成本、易部署、易使用、灵活调整等优点。目前工业无线网络，主要用于工厂内部信息化、设备信息采集以及部分非实时控制等目的，采用Wi-Fi、ZigBee、WirelessHART、WIA-PA等技术。这些技术主要基于短距(如IEEE 802.11)或者近距(如IEEE 802.15)标准。

（2）工厂外网络

工厂外网络一般通过企业专网或移动通信网络实现，

3.数据互通

据AII发布的工业互联网网络连接白皮书描述：“据不完全统计，目前国际上现存的总线/工业以太网协议数量高达40余种。还存在一些自动化控制企业，直接采用私有协议实现全系列工业设备的信息交互。在这样的产业生态下，形 成了一个个竖井型的业务系统，同一个系统内的数据可以一定程度的互通，但跨系统的数据互通非常困难。”。但是企业对数据互通的需求越来越强烈，主要呈现如下趋势：一是要实现信息的标准化；二是要加强与云的连接；三是要实现现场级设备的互通。在这种背景下，OPC UA就横空出世。OPC UA是一套安全、可靠且独立于制造商和平台，可使不同操作系统和不同制造商的设备之间可以进行数据交互,适用于工业通讯的数据交互规范。OPC UA的目的是为工厂车间和企业之间的数据和信息传递提供一个与平台无关的互操作性标准。

4.边缘计算与网络连接

未来的工业网络中，业务不仅仅只部署于云端，在工业现场和云端均有部署，源于工业领域对高可靠、低时延、确定性以及业务安全性等的实际需求。工业现场设备和机器，会在网络边缘产生可观的上行数据，而处于整个网络靠近工业现场的边缘网络设备，就要求具备开放的数据处理能力，以及灵活的业务承载转发能力。

一般来讲，工业现场中的边缘计算所部署的位置，是工厂设备接入网络的第一个节点。边缘计算的载体设备可以是工业控制器、传感器、边缘计算网关、边缘云和智能生产装备等。

在网络连接方面，边缘计算能够：

一是边缘计算构建了丰富多样的工业现场网络连接能力：边缘计算通过通过提供强大的通信、计算和存储能力，在保障工业现场各异的物理接入的同时，可以实现灵活的协议转换和互通，从而提供了丰富多样的现场接入能力，为用户提供统一的网络和业务数据接入能力；

二是边缘计算使能低时延网络连接：边缘计算能够为网络连接提供超低时延和确定性时延的承载能力。工业现场业务往往对网络实时性要求非常高，部分检测和控制场景要求毫秒级甚至 微秒级时延。如果检测和控制逻辑都置于云端，则不能满足业 务的低时延需求。因此，在越来越多的工业场景中，边缘设备进行快速、短周期的数据分析和轻量级的计算显得尤为重要。边缘计算得益于其部署位置和业务处理能力，能够更好地支撑 本地业务的智能化处理与执行，以支持业务的低时延转发，保证工业现场网络时延指标满足业务要求；

三是边缘计算提供网络切片的接入能力：很多工业场景，需要网络能够提供定制化的、独立的网络能力，以满足用户诸如低时延、高带宽、海量连接和高安全性等不同需求。切片将网络存储、计算和连接等资源分割成多个独立而又隔离的网络平面，为差异化的业务实现定制化的服务。处于工业现场的边缘计算节点，可以把工业内网中需要连接外网的业务进行标识和分类，与不同的外网切片进行映射，为差异化的业务实现定制化的切片服务。与网络切片结合，边缘计算既能够充分发挥其高实时性、安全性等优势，又可以借助网络切片的专用资源，为工业互联网提供端到端的网络连接和业务承载保证。

另外，移动边缘计算，为工业企业提供了云端服务外的另一种近端服务，从目前的发展趋势来看，5G会在其中扮演非常重要的角色。