2024智慧工厂F5G全光网设计指南报告

张军、冯义、汤春荣、张锐利、熊鑫、顾雷鸣、刘栋、周琳朱立彤、张旭、刚轶金、赵艳领、李涛、薛松、许森、杨光吴峻、潘俊飞、高洪福、向正权、张薇、王志军 ONA（中国电子节能技术协会绿色全光网络专业委员会）华为技术有限公司 中国第一汽车集团有限公司 中国汽车工业工程有限公司（设计院）江苏林洋能源股份有限公司 双良硅材料（包头）有限公司中国电子工程设计院有限公司中国五洲工程设计集团有限公司中国机械工业建设集团有限公司 机械工业仪器仪表综合技术经济研究所机械工业第六设计院有限公司 信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司上海诺基亚贝尔股份有限公司 长飞光纤光缆股份有限公司神州数码集团股份有限公司烽火通信科技股份有限公司 PREFACE 前言 随着制造业的不断发展和智能化转型，工厂对于网络通信的需求也日益增加。传统的网络架构已经无法满足工厂生产过程中对于大带宽、低延迟、高可靠的性能需求，因此，F5G全光网作为一种新兴的网络技术，应运而生，为制造工厂的数字化转型提供了全新的解决方案。 本设计指南旨在为智慧工厂F5G全光网的设计提供指导和参考。通过解析F5G全光网的关键技术、设计原则和关键要素、详细设计、设计参考图集，我们希望读者能够更好地理解F5G全光网在制造工厂中的重要作用，掌握设计与部署的关键技术和方法。本指南将为制造工厂的网络设计者、工程师和决策者提供有益的参考，助力制造业实现数字化转型，提升生产效率和竞争力。 智慧工厂F5G全光网设计指南，聚焦阐述网络架构设计、关键技术选型、综合布线设计、设备选型、业务规划设计等方面的内容。若希望了解F5G全光网络方案、方案价值、案例，请参考《智慧工厂F5G全光网应用技术白皮书》。 CONTENTS 目录 第1章1 智慧工厂F5G全光网定义和关键技术1 1.1智慧工厂F5G全光网定义2 1.1.1F5G定义2 1.1.2智慧工厂F5G全光网定义2 1.2智慧工厂F5G全光网和传统网络差异3 1.2.1网络架构差异3 1.2.2综合布线差异5 1.3智慧工厂F5G全光网关键技术6 1.3.1可靠性保障技术6 1.3.2确定性低时延技术6 1.3.3固定带宽保障技术7 1.3.4专网切片技术7 1.3.5智能运维技术7 1.3.6远程供电技术7 第2章8 智慧工厂F5G全光网设计原则和关键要素8 2.1设计原则9 2.2关键要素9 2.3组网架构设计9 2.3.1生产网独立建网，安防网和办公网融合建网11 2.3.2生产网、安防网、办公网独立建网12 2.3.3生产网、安防网、办公网融合建网13 2.3.4智慧工厂F5G全光网组网架构推荐参考13 2.4PON技术选择14 2.4.1生产网PON技术选择15 2.4.2办公网PON技术选择16 2.4.3安防网PON技术选择17 2.4.4PON技术选择推荐17 2.5保护方式选择17 2.5.1TypeB保护18 2.5.2TypeC保护18 2.5.3保护方式选择推荐19 2.6分光比设计20 2.6.1分光比设计推荐原则20 2.6.2分光器选型推荐原则21 第3章22 智慧工厂F5G全光网场景详细设计22 3.1生产网络设计23 3.1.1生产网网络架构23 3.1.2生产网综合布线设计24 3.2办公网络设计30 3.2.1办公网网络架构30 3.2.2办公网综合布线设计31 3.3安防网络设计34 3.3.1安防网网络架构34 3.3.2安防网综合布线设计35 3.4智慧工厂F5G全光网设备选型建议37 3.4.1OLT设备选型建议37 3.4.2ONU设备选型建议39 第4章43 智慧工厂F5G全光网业务配置规划设计43 4.1业务功能配置规划建议44 4.1.1VLAN规划44 4.1.2二层互通规划46 4.1.3Qos配置规划46 4.1.4带宽配置规划48 4.1.5OLT上行链路保护50 4.1.6环路检测功能50 4.2安全功能配置规划建议51 4.2.1网络准入认证方案51 4.2.2完整性和保密性53 4.2.3防私接DHCPServer53 第5章55 智慧工厂F5G全光网智能化设计说明55 5.1设计依据56 5.1.1项目概况56 5.1.2现行相关规范、标准：56 5.2设计范围56 5.2.1设计范围56 5.2.2工程界面57 5.3信息网络系统57 5.3.1系统内容57 5.3.2信息网络系统划分57 5.3.3网络系统架构58 5.3.4OLT58 5.3.5ONU58 5.4综合布线系统59 5.4.1垂直干线59 5.4.2水平布线59 5.4.3安装ONU的信息箱59 1智慧工厂F5G全光网设计指南1 第1章 智慧工厂F5G全光网定义和关键技术 1.1智慧工厂F5G全光网定义 1.1.1F5G定义 F5G是The5thGenerationFixedNetworks的缩写，即第五代固定网络。 F5G是由中国提出的，欧洲电信标准协会ETSI接纳、业界广泛参与的最新一代固定网络。2019年6月，中国信息通信研究院在上海移动大会上，首次提出了F5G。2019年底ETSI通过了F5G立项，对固定网络的代际作出了定义。F5G的参与者有诸多机构成员，包括运营商（中国电信、中国联通、意大利电信、法国电信等）、设备商（华为、烽火、康普等）、研究机构（中国信通院、英国标准研究所等）。 F5G具备了大带宽（eFBB，enhancedfixedbroadband，增强型固定宽带），多连接 （FFC，full-fiberconnection，全光联接）和好体验（GRE，guaranteedreliableexperience，极致体验）三个关键特征，其代表性的技术包括10GPON技术、每波长200G/400G光传输技术、下一代OTN技术等。 1.1.2智慧工厂F5G全光网定义 随着光纤网络快速发展，光纤已走进工厂，从车间弱电间、机柜继续往下延伸至机器，智慧工厂F5G全光网解决方案已快速崛起。 智慧工厂F5G全光网给出了全新的定义：智慧工厂F5G全光网是以单模光纤为介质，采用10GGPON（兼容GPON）为主的第五代固定接入技术构建的园区网络，主要包括光线路终端OLT、无源光配线网络ODN、光网络单元ONU等，能够统一承载工业生产控制数据、生产现场感知数据、安防数据、办公数据、语音通话数据等多业务，具备简架构、易演进、智运维和高可靠等特性。 智慧工厂F5G全光网主要采用的是F5G无源光局域网（POL）技术，OLT设备和 ONU设备通过无源的分光器实现P2MP的连接。 图1-1智慧工厂F5G全光网定义 F5G为智慧工厂园区的生产网络、安防网络、办公网络提供了全新的网络解决方案。 1.2智慧工厂F5G全光网和传统网络差异 1.2.1网络架构差异 传统以太网交换机网络，核心交换机部署于核心机房，汇聚交换机部署于生产车间弱电间、办公楼宇弱电间或者楼层弱电间，接入交换机一般部署于生产车间机柜、办公楼层弱电间。核心交换机、汇聚交换机和接入交换机之间通常采用光纤互连。生产车间机柜、办公楼层弱电间的接入交换机提供标准的以太网端口，提供各种用户终端的接入能力。从接入交换机到各种用户终端采用网线，线缆长度通常不大于90米。 智慧工厂F5G全光网的核心交换机和OLT部署于核心机房，无源分光器（简称“分光器”）通常放置于生产车间弱电间、办公楼层弱电间，ONU放置于尽可能靠近最终接入终端的位置。核心交换机及OLT和ONU之间采用单模光纤互连。ONU提供标准的以太网端口， 提供各种接入终端的接入能力。从ONU到各种接入终端采用网线，网线长度通常小于5米。 图1-2网络架构差异 传统以太网交换机网络主要由以太网交换机和网线组成，传统以太网络一般采用三层架构，主要包括核心层、汇聚层和接入层；而智慧工厂F5G全光网架构采用扁平化二层架构，主要包括核心层和接入层，使用分光器代替了传统交换机组网的汇聚层网络设备及光模块，简化了网络架构、故障率更低、性价比更高。 表1-1智慧工厂F5G全光网和传统以太网交换机网络比较 网络类型 核心层 汇聚层 接入层 交换机网络 核心交换机 汇聚交换机 接入交换机 智慧工厂F5G全光网 核心交换机/OLT 分光器 ONU 智慧工厂F5G全光网采用的设备和技术与传统以太网交换机网络也有区别。智慧工厂F5G全光网主要采用的是OLT和ONU设备，OLT和ONU通过分光器联接，采用的是基于F5G的POL技术；而传统以太网交换机网络，采用的是核心交换机、汇聚交换机和接入网交换机等交换机设备，采用的是传统的以太网交换技术。 智慧工厂F5G全光网中，ONU需尽可能靠近最终接入终端安装，以缩短ONU到最终用户终端的网线长度，简化综合布线的同时便于未来带宽平滑演进。 1.2.2综合布线差异 智慧工厂F5G全光网和传统以太网交换机网络在综合布线上也有差异，主要是在接入层水平布线上有差异。 传统以太网交换机网络的综合布线中，核心交换机部署于园区的核心机房，汇聚交换机通常部署于弱电间，接入交换机通常部署于生产车间机柜或办公楼层的弱电间。核心交换机和汇聚交换机之间，汇聚交换机和接入交换机之间都是采用光纤进行连接，但是从生产车间机柜或办公楼层弱电间到接入设备的水平布线采用的是水平电缆，通常采用的水平电缆包括Cat5（5类线）、Cat6（6类线）、Cat6A（超6类线）、Cat7（7类线）、Cat7A（超7类线）等。 智慧工厂F5G全光网的综合布线主要是采用光纤。核心交换机和OLT部署于园区的核心机房，弱电间只部署分光器，从核心机房到楼宇/楼层弱电间采用光纤进行连接。ONU设备部署于车间机台或办公桌面等工作区域，从弱电间到这些工作区域之间采用单模光纤进行水平布线。 智慧工厂F5G全光网和传统以太网交换机网络在布线上的差异如图1-3所示。 图1-3综合布线差异 智慧工厂F5G全光网和传统以太网交换机网络的主干布线、水平布线的差异如表1-2所示。 表1-2智慧工厂F5G全光网和传统以太网交换机网络的比较 综合布线 主干 水平 工作区 交换机网络 光缆 网线（4对对绞电缆） 网线 智慧工厂F5G全光网 光缆 光缆（光纤） 网线/光纤 1.3智慧工厂F5G全光网关键技术 1.3.1可靠性保障技术 可靠性保障技术是确保数据传输稳定性和连续性的关键，在F5G全光网络的构建中，光纤链路保护采用TypeB和TypeC两种保护方案来提高网络的可靠性。TypeC保护方案提供全链路的双冗余保护，覆盖从OLT到ONU之间的光链路、分光器。这种方案因其全方位的保护而具有最高的可靠性。为了进一步增强网络的自愈能力，降低光纤链路故障导致的系统切换自愈时间，TypeC方案还结合了快速倒换和双发选收技术，确保光纤链路出现故障时，生产业务不会中断。因此，TypeC保护方案适用于智慧工厂的车间生产网络，确保生产业务全时在线。 相比之下，TypeB保护方案专注于OLT与分光器之间的光链路保护，虽然可靠性较高，但没有TypeC方案全面。TypeB保护方案适用于智慧工厂的办公网络和安防网络。 1.3.2确定性低时延技术 制造企业在远程工业控制、机器人协同作业等应用场景不但对网络时延有明确要求，更要求网络能够保障时延抖动不能过大，F5G全光网具备确定性时延技术，实现远程控制、远程协作类业务“准时、准确、快速”的数据传输。F5G全光网用固定带宽分配技术降低动态带宽调整引入的时延和抖动，同时采用Multi-burst技术提升数据调度频率，从而降低传输时延。 1.3.3固定带宽保障技术 智慧工厂制造车间的生产网络承载了多项重要业务，包括MES、数据采集、工业控制和AI质检等。这些业务需要稳定的端到端带宽支持，以确保不会因为突发流量而导致数据丢失。采用F5G全光网的时分复用和DBA动态带宽分配技术，能够为制造车间生产业务提供可靠的端到端带宽通道，确保不同终端之间的业务具备独立的带