互联网行业：TSN网络控制系统白皮书（2022年）

（2022年） TSN网络控制系统白皮书 工业互联网产业联盟（AII） 2023年6月 声明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据、观点、建议，不构成法律建议，也不应替代律师意见。本报告所有材料或内容的知识产权归工业互联网产业联盟所有 （注明是引自其他方的内容除外），并受法律保护。如需转载，需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用，不得将报告的全部或部分内容通过网络方式传播，不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责任。 工业互联网产业联盟联系电话：010-62305887 邮箱：aii@caict.ac.cn 前言 时间敏感网络（TSN）作为助力工业互联网实现的关键技术体系，提供了高带宽、低延时、低抖动和高可靠性的通信联网能力，制定一系列标准协议簇支持工业网络和以太网高度融合。但当前在产业应用方面，时间敏感网络还存在协议体系复杂，使用困难的突出问题。时间敏感网络网络控制系统的主要任务就是能够自动化的、智能化的管理控制该网络，保障具体的实现标准协议的技术体系能够高效协调运作，为实际的工业网络使用人员提供一套简单易用，高效可靠的工具。 《时间敏感网络网络控制系统白皮书》以网络控制系统的内涵出发，从标准、技术体系、参考架构、系统原理和应用场景及案例等方面进行了较为系统性 牵头编写单位： 北京邮电大学 中国信息通信研究院 网络通信与安全紫金山实验室 参与编写单位： 新华三技术有限公司 北京智芯微电子科技有限公司 深圳市三旺通信股份有限公司 中国科学院沈阳自动化所 联通数字科技有限公司 中国联通物联网研究院 北京交通大学 国防科技大学 的梳理和阐述，期待为时间敏感网络进入行业应用，江苏省未来网络创新研究院 加速产业发展提供一定的启示作用。时间敏感网络可东土科技 以应用的产业众多，技术发展日新月异，该控制系统白皮书将会根据业界意见和最新技术、产业信息进行 及时的更新和补充。 航天新通科技有限公司 中国工业互联网研究院 广东省新一代通信与网络创新 研究院天津大学 编写组成员（排名不分先后）： 西安云维智联科技有限公司 朱海龙、黄韬、汪硕、张恒升、朱瑾瑜、张华宇、赵荣渟、彭开来、刘赞、许文雨、吴晓佳、刘勇、池颖英、郑哲、王连忠、熊伟、徐龙、李栋、李研、何非、闵爱佳、白钰、杨冬、李宗辉、全巍、魏亮、程远、朱明星、朱浩、薛强、卢华、邱铁、王红春 工业互联网产业联盟公众号 目录 一、TSN网络控制系统内涵1 （一）网络控制系统定义1 （二）网络控制系统现状2 二、TSN网络控制系统技术体系13 （一）TSN网络控制系统标准态势13 （二）TSN网络控制系统关键技术原理16 三、TSN网络控制系统应用场景31 （一）工业控制31 （二）智能网联汽车33 （三）电力厂站34 （四）航空航天36 四、我国TSN控制系统产业发展对策及趋势展望39 （一）产业发展对策39 （二）趋势展望40 附录：TSN网络控制系统应用案例42 一、TSN网络控制系统内涵 本章节从TSN（Time-SensitiveNetworking）控制系统的定义、现状与发展趋势、驱动力等角度阐述TSN控制系统的内涵。 （一）网络控制系统定义 NCS(Networkedcontrolsystems)，最早出现于1998年马里兰大学G.C.Walsh等人的论著中，但当时并没有给出“网络控制系统”明确的概念定义。目前，“网络控制”的含义有两种解释：一种是对网络的控制（controlofnetwork）；另一种是通过网络实施的控制（controlthroughnetwork）。两种含义中都离不开“控制”和“网络”，只是两者所侧重的对象不同。前者指对网络路由、网络流量等的调度与控制，是对网络自身的控制；后者是指控制系统的各个节点（传感器、执行器和控制器）之间的数据传输不是传统的点对点方式，而且是通过网络来传输的。 本白皮书阐述的TSN网络控制系统的定义属于第一种，即对TSN 的网络控制。包括TSN网络资源管理和控制，流量调度参数生成与配置，网络运维与监控。 网络资源管理和控制是指对TSN网络中的网关，TSN交换机，普通交换机，网卡，防火墙，接入设备等物理资源进行一定程度的纳管，具备网络设备发现，网络连通性探测的功能。支持纯TSN网络，TSN网络和普通以太网混合组网模式下的管控，能自主学习，构建交换设备转发表。 流量调度参数生成与配置是指根据业务或用户需求构建传输路径， 生成门控列表并下发配置到TSN交换机。门控列表生成依赖于具体的流量调度算法，其算法复杂度主要由TSN网络规模、网络拓扑、流量规模和流量的异构性特征决定，在大多数情况下是时间复杂度NP问题，一般采用专门求解器生成或者采用启发式算法进行求解。门控生成算法一般内嵌在TSN网络控制系统内部，构成控制系统计算引擎，也可以独立于控制系统存在，由控制系统采用调用的方式使用。 网络运维与监控是TSN控制系统对TSN网络工作过程的运行与维护，主要是针对异常进行告警，对故障进行数据保护和系统恢复。实时收集TSN网络系统的带宽等资源状态，给出业务时延、抖动等性能指标，并支持可视化操作。 TSN网络控制系统的主要作用是建立确定性的以太网络，助力工业互联网数字化提升。TSN网络控制系统在对传统以太网络控制的基础上，还深入融合各个工业场景的工业网络信息传输需求，建立一套既通用又面向垂直行业应用的网络管理系统。如在工厂内网，基于Profinet，Ethercat等协议的工业通讯协议都有被TSN替代的可能性，并使得工业OT和IT的融合成为可能。在汽车领域，TSN基于高带宽以太网支持车内信息融合传输，减少布线。 （二）网络控制系统现状 1.传统网络控制系统现状 SDN的架构中，控制器可以说是SDN的核心。它是连接底层交互设备与上层应用桥梁。一方面，控制器通过南向接口协议对底层网络交换设备进行集中管理，状态监测、转发决策以及处理和调度数据平面的流量；另一方面，控制器通过北向接口向上层应用开放多个层次的可编程能力，允许网络用户根据特定的应用场景灵活地制定各种网络策略。 随着移动设备的不断普及，OTT服务和内容分发的兴起导致服务提供商网络迫切的需要一次网络变革。为了应对日益增长的带宽需求，服务提供商希望网络可以更加敏捷高效，且能从创新型服务和新型业务模式中分一杯羹得到更好的发展，至此SDN的呼声越来越高。而SDN中控制器占重要部分，是兵家必争之地，Openflow是使用比较广泛的SDN控制器使用的南向通信协议，随着Opendaylight和ONOS的出现，SDN控制器的架构及所支持的南向、北向通信协议日益丰富。 1.1OpenDaylight控制器技术现状 OpenDaylight项目的发展目标在于推出一个通用的SDN控制平台、网络操作系统，从而管理不同的网络设备，正如Linux和Windows等操作系统可以在不同的底层设备上运行一样。OpenDaylight支持多种南向协议，是一个广义的SDN控制平台。架构如图所示,可分为南向接口层、控制平面层、北向接口层和网络应用层。南向接口层中包含了如OpenFlow、NET-CONF和SNMP等多种南向协议的实现。控制平面层是OpenDaylight的核心，包括MD-SALI、基础的网络功能模块、网络服务和网络抽象等模块，其中MD-SAL是OpenDaylight最具特色的设计，也是OpenDaylight架构中最重要的核心模块。无论是南向模块还是北向模块，或者其他模块，都需要在MD-SAL中注册才能正常工作。MD-SAL也是逻辑上的信息容器，是OpenDaylight控制器的管理中心，负责数据存储、请求路由、消息的订阅和发布等内容北向接口层包含了开放的RESTAPI接口及AAA认证部分。应用层是基于OpenDaylight北向接口层的接口所开发出的应用集合。 图1-1OpenDaylight参考架构 此外，OpenDaylight还正在大力开展NFV的研发。正如之前提到的，OpenDaylight不仅仅是一个SDN控制器，OpenDaylight是一个网络操作系统。除了SDN控制器的基础功能以外，还包括NFV等其他应用服务，可见其旨在打造一个通用的SDN操作系统。 1.2ONOS控制器技术现状 OpenDaylight是由设备商主导的一个开源控制器，虽然打着开放的旗号，但是OpenDaylight一直排斥基于开放的协议方案，而是想采用折中的方案，即以开放专用接口的方式保留传统设备，采取以退为进的方式维护自己的利益。于是，运营商推出了开放网络操作系统ONOS(OpenNetworkOperatingSystem)。ONOS是一款同样采用Java语言编写，采用OSGi架构，同样分布式的控制平台产品。其目标是打造一个开放的SDN网络操作系统，市场定位在运行商级别网络市场。 图1-2ONOS控制平台 ONOS是首款开源的SDN网络操作系统，主要面向服务提供商和企业骨干网。ONOS的设计宗旨是满足网络需求实现可靠性强、性能好、灵活度高。此外，ONOS的北向接口抽象层和API支持简单的应用开发，而通过南向接口抽象层和接口则可以管控OpenFlow或者传统设备。目前ONOS在全球的部署基本都在教育和科研网络，主要部署的应用是SDN-IP，在天津联通有部署ONOS第一个商用局点敏捷VPN，另外欧洲的GEANT和Aarnet在没有厂商参与的情况下基于ONOS开发了适用于自己的SDX-L2/L3和Castor应用并部署，意义重大。 2.工业网络控制系统/工业组态软件现状 组态软件起源于集散控制系统（DistributedControlSystem，简称DCS），发展壮大于可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）。 目前国外的组态软件有将近一百多种，在国际上比较有名的组态软件有Wonderware公司的Intouch、美国通用汽车公司的implicity、德国西门子公司的Wincc和以色列的WizCo等，国外的组态软件长期占领市场的大部分份额。监控组态软件在DCS操作站软件中所占比重日益提高。继FOXBORO之后，Eurotherm（欧陆）、DeltaV、PCS7等DCS系统纷纷使用通用监控组态软件作为操作站。在20世纪80年代末，国 外的一些组态软件开始进入中国市场。进入之初，国内市场没有很好的理解组态软件的重要作用。到20世纪90年代的时候，国人越来越意识到组态软件的作用，慢慢改变了对组态软件的观念。目前我国的组态软件主要以中低端市场为主，随着国内技术的发展，我国组态软件在一定程度上占领了一定的高端市场，但是由于国内软件的不稳定性和产品的发展、通用性等原因，很多客户往往会选择国外的高端产品。 从国内自动化行业学术期刊来看，以组态软件及与其密切相关的新技术为核心的研究课题呈上升趋势，众多研究人员的存在，是组态软件技术发展及创新的重要活跃因素，也一定能够积累很多技术成果。从软件规模上看，大多数监控组态软件的代码规模超过100万行，已经不属于小型软件的范畴了。从其功能来看，数据的加工与处理、数据管理、统计分析等功能越来越强。 3.TSN网络控制系统现状 TSN技术提供确定性传输的特性可被广泛应用于工厂内网等场景，拓扑变化、新设备接入、新业务流量需求部署所需的快速响应能力是当前线下仿真、配置的TSN网络所不具备的，并随着网络规模的扩大所带来的线下工作量也是巨大的。同样随着工业互联网的发展，不论是工厂内部两级三层架构，还是工厂之间局域互联，传统的网络架构已经不能满足智能化的需要。面向未来工业互联网网络互联互通、动态扩展的需求，时间敏感网络控制系统应具备灵活、开放、高效、全局管控等特征。 工业互联网时间敏感网络控制器的功能架构可以遵循SDN技术思路，IEEE802.1