SPN网络在工业场景的需求及应用研究报告

SPN网络在工业场景 的需求及应用研究报告 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 牵头编写单位： 中国信息通信研究院 参与编写单位： 中兴通讯 华为技术 中国移动研究院 中国信息通信科技集团公司 中国移动通信集团江苏有限公司国网江苏省电力有限公司 中国南方电网公司 国家电网山东省电力公司广州市急救医疗指挥中心 中煤科工集团常州研究院有限公司 陕西陕煤澄合矿业有限公司西卓 煤矿 工业互联网产业联盟公众号 前言 面向工业场景的八大典型应用场景，工业内网和工业外网的高质量承载和异构网络互连互通发展需求，如何提 供一个安全、可靠、高效、灵活、智能和可演进的行业专用承载网络，已成为业界新技术创新、标准研发和现网应用探索的重点领域。 SPN（SlicingPacketNetwork，切片分组网）是中国移动、中国信通院、华为、中兴和烽火等联合创新开发的5G承载网络技术，已成为我国主导承载网络技术创新并推动产业化的典范，在5G传送网技术标准上处于国际领先地位，不仅在中国移动5G承载网络上实现超30万端的规模部署应用，并已成为国际电信联盟ITU-T认可的新一代传送网国际标准技术体系。SPN凭借其特有的TDM时隙复用与分组统计复用深度融合的技术架构，具备低时延、大带宽、超高精度同步、灵活管控等技术优势，同时兼容以太网生态链，具有低成本和易部署等特点。面向工业互联网应用场景，SPN不断增强了N5Gbps和M10Mbps两级硬隔离切片承载、分组层灵活接入调度、确定性低时延 和抖动、高精准差异化SLA保障、基于SRv6的算网融合感知和多域融合组网能力等技术创新和产业化能力。 本研究报告分析了工业互联网典型场景的承载需求、SPN网络能力特性、技术标准和产业化进展，并结合SPN在5G+智能电网、智慧交通和智能矿山等典型的工业场景的应用案例，总结提出SPN在工业互联网的应用定位是以工业外网的5G+行业虚拟专网和重点行业自建专网为主，并兼具解决智能电力、智慧交通、智能矿井、智慧港口、智慧医疗和智慧救援、智能工业制造和智慧工厂等需要多业务高安全隔离和高可靠承载的部分工业内网场景。SPN承载网络支持网络切片定制化、电信级高可靠性、确定性承载、灵活接入调度、多维业务感知和智能管控运维等特性，将成为工业场景下新一代综合业务承载网络的标杆。 编写组成员（排名不分先后）： 李芳、赵俊峰、陈捷、刘爱华、周文端、廖国庆、李日欣、韩柳燕、叶雯、柳光全、韩震、胡飞飞、张浩、林建权、刘晓明王文帝、孟玮，李海川 目录 一、5G+工业互联网对网络的需求和挑战5 1.15G+工业互联网的数智化发展趋势5 1.25G+工业互联网典型场景的业务需求分析7 1.35G+工业互联网对承载网络能力的挑战13 二、SPN技术体系架构和网络能力特性15 2.1我国自主创新的SPN技术体系架构15 2.2切片通道层的硬隔离切片转发能力18 2.3切片分组层的软切片分组转发能力21 2.4切片传输层的高速大容量传输能力23 2.5基于SDN架构的智能管控运维能力25 2.6SPN2.0新增功能和性能特性总结28 2.7SPN网络能力满足5G+工业互联网的需求总结31 三、SPN国际国内标准和产业化应用进展35 3.1FlexE：兼容以太网的灵活以太网接口标准35 3.2SPN：我国自主创新的5G传送网技术标准37 3.3MTN：ITU-T的新一代5G传送网标准体系39 3.4SR-TP：IETF的分段路由转发技术标准创新42 3.5SPN全产业链的规模化商用和健壮性发展分析44 3.6支撑工业场景应用需求的SPN产业化进展47 四、SPN在工业场景的定位和案例分析49 4.1SPN在工业场景的应用定位分析49 4.1.1工业互联网对网络的需求场景分析49 4.1.2SPN在工业互联网的应用定位分析50 4.2智能电网场景52 4.2.15G+智能电网场景52 4.2.2电力通信专网场景55 4.3智慧交通场景60 4.4智能矿井场景63 4.5智慧港口场景65 4.6智慧医疗场景66 4.6.1智慧医疗专网场景66 4.6.2智慧医疗救援场景69 4.7智能工业制造场景72 4.7.1工程机械制造的智能化转型场景72 4.7.2冶金企业的智能工厂升级改造场景74 4.8SPN在工业场景应用方案小结76 五、SPN在工业场景的应用展望77 附录ASPN的行业应用案例79 A.1电力行业的SPN应用案例79 A.1.1江苏电力配网业务应用案例79 A.1.2浙江杭州5G电力虚拟专网应用案例81 A.1.3云南曲靖电力的SPN工程应用案例82 A.1.4山东电力的SPN试点应用案例83 A.2交通行业的SPN应用案例85 A.2.1SPN在地铁传输网中的应用案例85 A.2.1SPN在高速公路中的应用案例87 A.3煤矿行业的SPN应用案例88 A.3.1陕西某煤矿的SPN骨干环网应用案例88 A.3.2山东某矿井的一张SPN环网应用案例91 A.4智慧港口的SPN应用案例92 A.4.1浙江宁波港的SPN应用案例92 A.4.1厦门远海码头的SPN应用案例94 A.5智慧医疗救援的SPN应用案例94 A.5.1郑州5G智慧医疗专网的SPN应用案例94 A.5.2广州120的5G+SPN专网医学救援应用案例96 A.6制造行业的SPN应用案例98 A.6.1武汉某企业集团的5G+SPN专网的智能制造应用案例98 A.6.2内蒙古某铁合金企业的5G+SPN智慧工厂应用案例101 参考文献105 一、5G+工业互联网对网络的需求和挑战 1.15G+工业互联网的数智化发展趋势 2020年12月22日，工信部印发《工业互联网创新发展行动计划（2021- 2023年）》，明确将开展网络体系强基行动、标识解析增强行动、平台体 系壮大行动、数据汇聚赋能行动、新型模式培育行动、融通应用深化行动、关键标准建设行动、技术能力提升行动、产业协同发展行动、安全保障强化 行动、开放合作深化行动等11项重点任务。名列首位的网络体系强基行动 包括加快工业设备网络化改造、推进企业内网升级、开展企业外网建设、深 化“5G+工业互联网”和构建工业互联网网络地图等五项重点工作，并重点推动专栏1工业互联网网络互联互通工程，要求到2023年，打造50个企业 内网改造建设标杆，高质量外网基本覆盖所有规模以上工业企业，建成8个 “5G+工业互联网”公共服务平台。 发展工业互联网的高质量网络，需重点推进三方面工作：一是推进企业内网升级，支持工业企业运用新型网络技术和先进适用技术改造建设企业内网，探索在既有系统上叠加部署新网络和新系统，推动信息技术（IT） 网络与生产控制（OT）网络融合，建设工业互联网的园区网络。二是开展企业外网建设，推动基础电信企业提供高性能、高可靠、高灵活、高安全的网络服务。探索云网融合、确定性网络、IPv6分段路由（SRv6）等新技术部署。三是在保障数据安全和网络安全的前提下，推动工业企业、工业互联网平台、标识解析节点、安全设施等接入高质量外网，探索建设工业互联网交换中心，研究互联互通新机制。 十四五时期是我国重点行业从信息化、自动化阶段向数字化和智能化 转型的重要阶段，在国内国际双循环的新发展格局下，工业互联网将持续创新发展新模式和新业态，不断从单一场景向多场景协同赋能发展，加速产业生态培育和规模应用推广。5G赋能千行百业，推动行业数字化转型，已成为驱动工业互联网企业内网和外网协同发展的重要因素。2021年12月23日，工信部部长肖亚庆表示，2022年将着重抓好扩大“5G+工业互联网”应用、激活数据潜能、提升企业数字技术应用能力三项工作。稳妥有序开展5G和千兆光网建设，加快5G行业虚拟专网规模化建设，打牢数字化转型的网络设施基础，聚焦制造、矿山、电力等重点行业，深度挖掘“5G+工业互联网”典型应用场景。 为推动“5G+工业互联网”规模应用，高安全高可靠的多业务统一承载、云网边端多维协同、确定性网络技术、IPv6+应用推广和行业虚拟专网开放服务能力已成为亟需开展网络技术创新和产业协同应用发展的焦点问题。 （一）高安全高可靠的多业务统一承载。工业生产制造和电力、天然 气等能源供应是国家持续健壮发展的安全命脉，数据安全和网络安全已被公认为工业互联网必须要重点解决的核心能力之一，IT和OT融合以及行业云服务的发展必然带来局域网和广域网的多业务统一承载需求，因此实现高安全、高可靠的电信级多业务承载，已成为工业互联网的工业内网和工业外网实现高质量发展的必然趋势。 （二）云网边端多维协同。工业数据作为新的生产要素资源，成为驱动 工业互联网创新发展的主引擎。专门面向工业互联网的大数据中心建设步伐将在2022年进一步加快，尤其是行业大数据分中心和区域级工业互联网大数据分中心，解决数据“孤岛”问题，汇聚工业数据，支撑产业监测分析，赋能企业创新发展，提升行业安全运行水平。海量工业数据的高效处理和衍生的各类行业应用新都需要超强的算力网络支撑，因此云网边端需要实现资源、数据、算力、应用、服务和运营等多维度协同。 （二）确定性网络技术。确定性网络技术是新一代网络通信体系发展方 向，对千行百业朝着数字化、网络化、智能化的高质量发展方向迈进具有重要意义。确定性网络的主要特征是能够提供确定性的业务服务质量，灵活切换确定性服务和非确定性服务，按照SLA策略自主控制并提供确定性服务质量的等级，全面赋能产业升级，实现确定性网络服务能力的一体化与多样化的跨域全局协同。 （三）IPv6+应用推广。企业内网和企业外网都将逐步向IPv6+网络演 进；企业内网的IP化改造有利于打破国际巨头对传统工业以太网的垄断地位。企业外网支持IPv6和SRv6转换，成为云网边端协同的统一承载协议，推进多云协力、云边协同和算网融合。IPv6扩展报头能提供很大的网络地址编程空间，用于定义该IP报文所承载的用户类型、业务类型、位置信息、通信能力要求（分级分类SLA指标，包括隔离性、带宽、丢包率、时延和抖动等）和算力资源标识等信息，即通过IPv6报头实现用户面的多维感知能力和异构网络跨域标识信息传递，显著降低了通过应用层和控制面实现感知的网络复杂性，并提升了广域网络服务的精准性和实时性。 （四）行业虚拟专网定制化开放服务能力。5G行业虚拟专网应具备为 行业客户提供定制化的开放网络服务能力，并具有成本优势、安全优势和网络性能优势。随着网络管控和业务运营系统的自动化和智能化能力不断提升，行业虚拟专网需要向行业客户开放一定程度的虚拟网络资源和服务质量的可视、可靠、可管、可控和可信的服务能力，根据客户应用需求实现业务按需快速开通、流量监测和性能维护等，并希望5G网络的运维管理模式能与企业现有IT、OT网络及业务管理体系无缝融合，获得网络运维权，并降低运维成本，真正实现降本增效。 1.25G+工业互联网典型场景的业务需求分析 整个工业流程大体可以分为研发设计、生产制造、运维服务等环节，5G +工业互联网在这些场景下都有典型应用。5G与工业互联网融合应用具体可体现在八大类场景，分别为5G+超高清视频、5G+远程控制、5G+云化AGV、5G+机器视觉、5G+无人机、5G+云端机器人、5G+AR和5G+VR，不同应用场景对承载网络的需求特性存在差异。 （1）5G+超高清视频