工業互聯網——重構網絡架構的起點

張恒升

摘要：分析了當前的網絡發展趨勢和工業互聯網業務特性，認為工業互聯網不是一個全新的物理網絡，而是以互聯網、物聯網、移動網以及新型專網為基礎，經業務驅動構建而成，并通過軟件定義網絡（SDN）、虛擬化等技術整合網絡資源。認為工業互聯網擴大了網絡范圍，催生了新的網絡信息節點分布結構，提出了更高的網絡業務需求，必將深刻地影響通信網絡架構的演進方向，成為重構通信網絡架構的起點。

關鍵詞： 工業互聯網；SDN；虛擬化

1 什么是工業互聯網

新一輪科技革命和產業變革正蓬勃興起，互聯網加速與傳統產業融合，移動互聯網、物聯網、云計算、大數據、人工智能等新技術正逐步向工業領域滲透，一系列新的生產方式、組織形式和商業模式不斷涌現，工業互聯網應運而生。

不同國家在信息和工業領域的基礎不同，發展需求各異，對于互聯網與工業/產業深度融合的認識也不同。即使是對工業互聯網內涵的認識，美國工業互聯網聯盟（IIC）與中國工業互聯網產業聯盟（AII）也不完全一致。IIC將工業互聯網定義為：為了商業收入轉型，通過先進的數據分析使能智能工業操作的，連接物、機器、計算機與人的互聯網[1]。而AII定義：工業互聯網是互聯網和新一代信息技術與工業系統全方位深度融合所形成的產業和應用生態，是工業智能化發展的關鍵綜合信息基礎設施[2]。顯然兩個定義顯示出對于工業互聯網的發展各有側重，但兩者都一致認為廣泛連接、泛在互聯的網絡是工業互聯網發展的基礎。

2 工業互聯網不會是一個全新的物理網絡

隨著網絡技術的發展，一種業務建一個網的發展模式已經成為過去，運營商為減少同時建設和運營多個網絡的成本，一直在探索在同一個物理網絡上承載多種業務和服務，各種虛擬專用網（VPN）、Overlay技術得到了大量應用，近年來大熱的軟件定義網絡（SDN）和虛擬化技術，更是讓網絡通用能力與具體業務要求去耦合成為可能。在這種趨勢下，工業互聯網單獨成網既是逆技術潮流而行，也是資源的浪費。

同時，工業互聯網的業務特性決定了不會出現獨立的工業互聯網物理專網。工業互聯網的業務模式可歸納為4種，分別是：智能化生產、網絡化協同、個性化定制、服務化延伸。

4種業務模式連接對象包含了人、工廠、機器和互聯網平臺等，接入方式包括個人撥號、企業寬帶、移動蜂窩和區域無線連接等，帶寬需求從物聯網智能模塊的窄帶到虛擬現實（VR）協同設計的超寬帶。如此復雜的網絡需求情況，現有的任何單個網絡均無法滿足；而如果要重新建設一個完全滿足所有工業互聯網業務需求的網絡，其投資力度、建設規模和管理復雜度都將是巨大的，且產出預期并不明朗。

3 工業互聯網沖擊現有網絡架構

工業互聯網以互聯網、物聯網、移動網以及新型專網為基礎，通過SDN、虛擬化等技術整合各個網絡的資源，以業務為驅動構建而成。工業互聯網業務的復雜性決定了支撐網絡的復雜和多元，工業互聯網突破了傳統公眾互聯網與企業網的邊界，改變了網絡服務提供者的分布，對通信網絡架構的發展將產生巨大的影響。

3.1 工業互聯網延伸了網絡范圍

傳統網絡結構中，企業自主建設維護的工廠內網和運營商提供服務的公眾網涇渭分明，工廠內支撐辦公信息化的信息技術（IT）網絡和支撐生產的操作技術（OT）網絡也相互隔離。工業互聯網打破了這些界線，其網絡將由工廠內網和工廠外網組成。

從業務發展看，個性化定制、協同化制造等業務將工廠內網絡打開，為滿足生產制造的遠程控制、監測、操作需求，封閉的OT網絡需具備更強的互聯互通能力，IT系統的云化使企業IT網絡與互聯網結合更為緊密。

從技術上看，工業網絡有著更高的信息化和信息采集需求，5G等技術工業適配能力的提升，讓原有公眾網絡有機會滲透至工廠生產環節并提供服務；SDN等技術的成熟，也讓運營商看到了通過提供高質量VPN和網絡分片替代企業專網的可能。

從產業上看，思科等通信企業逐步向工廠內網絡滲透，西門子等工業網絡提供商出于業務互聯網化發展訴求，也在主動開放工廠內網絡。支撐工業互聯網的通信網絡，將突破原有企業網絡接入點邊界，延伸到工業企業內部，極大地擴展了網絡范圍。

3.2 工業互聯網改變了網絡“造血機制”

傳統網絡中，互聯網數據中心（IDC）是信息服務的源頭，是互聯網的“造血中心”，實現信息匯集是運營商設計網絡架構時的考慮重點。移動互聯網的發展帶來了大量的信息推送需求，從大型“造血中心”向“末梢”的信息傳輸效率太低，因此在靠近“末梢”的地方出現了大量“儲血點”，用以增加服務提供節點，縮短傳輸路徑，提升服務效率。城域網的信息服務能力需要提升，網絡架構也要進行相應調整。隨著工業企業信息化進程的推進，未來將出現大量的“造血點”。在工業生產過程中，將產生大量有價值、高敏感的數據，主要用于企業生產流程的優化、企業間的相互協調，這種多服務于自己，少服務于公眾的高信息安全要求，決定了這部分數據不會集中到某個大型造血中心，而是在本地造血點進行存儲、分析，并向外提供服務。這種新的互聯網造血分布，將對網絡架構產生根本性影響，改變圍繞骨干網和骨干節點構建網絡的路線，IDC和企業數據中心（EDC）的建設理念和布局思路都將需要調整，城域網、接入網以及微數據中心將在互聯網信息服務中扮演更為重要的角色。

3.3 工業互聯網提升了網絡性能要求

工業互聯網對通信網絡最直接的影響是提出了更高的網絡需求，簡單概括就是需要支持百億終端、百萬用戶、百級平面的業務發展。百億終端接入是指，未來智能工業產品和裝備——包括智能汽車、家電、機械、儀表及各種智能部件等——的數量將達到百億級水平，網絡需滿足工業互聯網海量智能工業產品聯接、信息交互的服務需求。百萬用戶是指，工業企業利用網絡開展監測、控制等對隔離和安全要求比較高的業務，需要進行用戶隔離，網絡能夠支持百萬級的VPN隔離。百級平面是指，網絡具備“多租戶”能力，每個業務平面是一張具備完整網絡管理、控制和數據傳輸能力的網絡，能夠為一類業務或一個超大型企業提供完全自主控制管理的網絡。

4 結束語

工業互聯網的出現是技術和產業發展推動的必然結果，同時也將沖擊通信網絡原有的技術架構和發展模式。擴大延伸的網絡范圍、全新的網絡信息節點分布、百級到百億級網絡業務需求都將深刻地改變通信網絡架構，以開放化、虛擬化、智能化、融合化為發展方向的SDN、5G、窄帶物聯網（NB-IoT）、IPv6等網絡技術將在工業互聯網中廣泛應用。與移動蜂窩網絡代際分明的演進路徑不同，互聯網成長史告訴我們，互聯網從來不按“劇本”發展，但可以預見工業互聯網將成為通信網絡發展的重要契機和助力，成為重構通信網絡架構的起點。

參考文獻

[1] Industrial Internet Vocabulary[R]. 美國：工業互聯網聯盟， 2015

[2] 工業互聯網體系架構（版本1.0）[R]. 北京：工業互聯網產業聯盟， 2016