面向工业互联网的确定性网络协同技术白皮书（2024年）

面向工业互联网的确定性网络协同技术白皮书 （2024年） 牵头编写单位：中国移动通信有限公司研究院 工业互联网产业联盟（AII）中移智库 2024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和中国移动所有（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： 中国移动通信有限公司研究院 参与编写单位： 北京邮电大学 中兴通讯股份有限公司北京科技大学 浪潮集团有限公司中国信息通信研究院华为技术有限公司新华三技术有限公司 紫金山实验室 工业互联网产业联盟公众号 编写说明 本报告主要研究面向工业互联网的确定性网络协同技术，通过该研究报告可对工业互联网确定性网络的研究和后续的标准制定起到参考作用。 编写组成员（排名不分先后）： 刘鹏、王晶、黄震宁、陆璐、许方敏、李斌、张晓琦、姜永、赵俊峰、朱瑾瑜、张恒升、付韬、李广鹏、李培、汪硕 目录 一、范围1 二、术语与缩略语1 三、确定性网络的标准化发展现状4 （一）IEEE时间敏感网络TSN5 （二）IETF确定性网络DetNet8 （三）3GPP5G+TSN、5G+DetNet10 （四）CCSA确定性网络13 四、确定性网络要解决的问题14 （一）保障单域网络的时延15 （二）保障端到端跨域网络时延的协同16 五、端到端确定性网络协同框架17 （一）端到端横向跨网络域18 （二）端到端纵向跨功能平面协同20 六、端到端确定性网络协同技术24 （一）现场网与车间网协同技术24 （二）工厂内网与工厂外网协同技术25 （三）移动网与承载网协同技术26 （四）增强确定性网络协同技术32 七、发展建议34 （一）确定性网络的场景和技术分类分级34 （二）应用确定性需求和网络确定性能力映射34 （三）网络与计算确定性技术协同35 参考文献36 一、范围 本报告主要研究内容包括：在业界主流的确定性技术和标准的基础上，从端到端角度分析确定性网络需要解决的问题，描述了工业互联网确定性网络端到端技术协同架构。研究各技术在工业互联网部署的协同性，主要包括车间网络与现场网络、企业网络与广域网、移动网和承载网等，并给出发展建议。 二、术语与缩略语 下列缩略语与术语适用于本报告： AF ApplicationFunction 应用功能 AMF AccessandMobilityManagementFunction 访问与移动管理 功能 AR AugmentedReality 增强现实 AVB AudioandVideoBridging 音视频桥接工作 组 BBU BaseBandUnit 基带处理单元 BE BestEffort 尽力而为 BGP BorderGatewayProtocol 边界网关协议 CPRI CommonPublicRadioInterface 通用公共无线接 口 CNC CentralizedNetwork 集中式网络配置 Configuration CUC CentralizedUserConfiguration 集中式用户配置 DetNet DeterministicNetworking 确定性网络 DCS DistributedControlSystem 分布式控制系统 DIP DeterministicIP 确定性IP网络 DN DataNetwork 数据网络 DSCP DifferentiatedServicesCodePoint 差分服务代码点 DS-TT DeviceSideTSNTranslator 设备侧TSN转换 器 EDN EnhancedDeterministicNetworking 增强确定性网络 GNSS GlobalNavigationSatelliteSystem 全球导航卫星系 统 GPS GlobalPositioningSystem 全球定位系统 GTP GeneralPacketRadioServiceTunnelingProtocol 通用分组无线业务隧道协议 IEEE InstituteofElectricalandElectronicsEngineers 电气与电子工程师协会 IETF TheInternetEngineeringTaskForce 互联网工程任务 组 IGP InteriorGatewayProtocol 内部网关协议 IP InternetProtocol 互联网协议 IP- RAN InternetProtocol-RadioAccessNetwork IP无线接入网 IT InformationTechnology 信息技术 MAC MediaAccessControl 媒体介入控制层 MES ManufacturingExecutionSystem 制造执行系统 MPLS Multi-ProtocolLabelSwitching 多协议标签交换 NFV NetworkFunctionVirtualization 网络功能虚拟化 NW-TT NetworkSideTSNTranslator 用户设备UE和网 络侧TSN转换器 PTN PacketTransportNetwork 分组传送网 QoS QualityofService 服务质量 OT OperationTechnology 操作技术 P2P Point-to-Point 点对点 PCF PolicyControlFunction 策略控制功能 PREOF PacketReplication,EliminationandOrderingFunctions 报文复制、消除和排序功能 RAN RadioAccessNetwork 无线接入网 RFC RequestForComments 征求意见稿， IETF的发布标准 RRC RadioResourceControl 无线资源控制 RRH RemoteRadioHead 射频拉远头 RRU RemoteRadioUnit 射频拉远单元 SCAD A SupervisoryControlandDataAcquisition 监控与数据采集 SDN SoftwareDefinedNetwork 软件定义网络 SLA Service-LevelAgreement 服务级别协议 SMF SessionManagementFunction 会话管理功能 SPN SlicingPacketNetwork 切片分组网 TSN TimeSensitiveNetwork 时间敏感网络 UE UserEquipment 用户设备 UPF UserPlaneFunction 用户面功能 uRLLC UltraReliableLowLatencyCommunication 超可靠低延迟通 信 VR VirtualReality 虚拟现实 WPT WirelessPowerTransmission 无线电能传输 三、确定性网络的标准化发展现状 越来越多的应用对网络时延的上界/下界提出了严格且明确的诉求，传统数据通信网络提供的“尽力而为”服务已不能满足。如工业中的运动控制需要保证毫秒级的时延和微秒级的抖 动[1]，电力差动保护也需要毫秒级的时延保障[2]，其他如游戏、视频业务也期望得到尽可能稳定、优质的网络服务，时延和抖动等控制在数十毫秒以内，从而保障良好的业务体验。标准化组织如电气与电子工程师协会IEEE、互联网工程任务组IETF、第三代合作伙伴计划3GPP、中国通信标准化协会CCSA等也已经开展了标准制定。 （一）IEEE时间敏感网络TSN IEEE于2006年首先开展确定性网络标准的研制，成立了“音视频桥接AVB”工作组，研究音视频局域网络的确定性；2012年更名为“时间敏感网络TSN”工作组[3],将应用场景扩展至工业、车载以及前传等，其包括时间同步、低时延、可靠性和资源管理四个部分，如图3-1所示： 图3-1TSN组件 TSN工作组至今已经发布一系列核心标准，包含基础标准、配置标准以及增强标准： (1)基础标准： 1)IEEEStd802.1Q-2018:桥梁和桥接网络 2)IEEEStd802.1AB-2016:站点和媒体访问控制连接发现 3)IEEEStd802.1AS-2020:时间敏感应用程序的定时和同 步 4)IEEEStd802.1AX-2020:链接聚合 5)IEEEStd802.1CB-2017:可靠性的帧复制和消除 6)IEEEStd802.1CS-2020:链接本地注册协议(2)配置标准： 1)IEEEStd802.1BA-2021:音频视频桥接（AVB）系统 2)IEEEStd802.1CM-2018:时间敏感前传网络(3)增强标准： 1)IEEE802.1ABcu-2021:站点和媒体访问控制连接发现— 修正案：YANG数据模型 2)IEEE802.1ABdh-2021:站点和媒体访问控制连接发现-修正案：支持多帧协议数据单元 3)IEEEStd802.1CBcv-2021:可靠性的帧复制和消除—修正案：信息模型、YANG数据模型和管理信息库模块。 4)IEEE802.1CBdb-2021:可靠性的帧复制和消除—修正案：扩展流识别功能 5)IEEEStd802.1CMde-2020:时间敏感前传网络—修正案：前端配置文件的增强，以支持新的前端接口、同步和合成标准 6)IEEEStd802.1Qbu-2016:桥梁和桥接网络—修正案：框架优先权 7)IEEEStd802.1Qbv-2015:桥梁和桥接网络—修正案：增强排定流量 8)IEEEStd 路径控制和预留 802.1Qca-2015: 桥梁和桥接网络—修正案： 9)IEEEStd 802.1Qch-2017: 桥接和桥接网络—修正案： 循环排队和转发 10)IEEEStd802.1Qci-2017:桥接和桥接网络—修正案：逐流过滤和管理 11)IEEEStd802.1Qcc-2018:桥接和桥接网络—修正案：流保留协议（SRP）增强和性能改进 12)IEEEStd802.1Qcp-2018:桥接和桥接网络—修正案：YANG数据模型 13)IEEEStd802.1Qcr-2020:桥梁和桥接网络—修正案：异步流量成形 14)IEEEStd802.1Qcx-2020:桥梁和桥接网络—修正案：连接故障管理的YANG数据模型 15)IEEEStd802.1Qat-2010:虚拟桥接局域网—修正案：流保留协议(SRP). 16)IEEEStd802.1Qav-2009:虚拟桥接局域网—修改案：时间敏感流的转发和排队增强 TSN的标准是全球确定性网络的基础标准，其他标准组织的标准均基于TSN标准中提供的机制进一步扩展或者增强而制定。 （二）IETF确定性网络DetNet 国际互联网工程任务组IETF于2015年成立“确定性网络DetNet工作组”[4]，沿用TSN的技术体系，解决基于IP等网络层的确定性问题。DetNet网络参考模型（多域）如图2-2所示： 图3-2DetNet网络参考模型（多域） DetNetUNI参考接口是确定性终端到确定性网络的连接参考点，其提供终端到确定性网络的确定性服务连接。DetNetUNI可以提供多种能力接口，例如，它可以将与特定网络技术相关的数据封装添加到确定性网络流上；它也可以提供与预留资源相关的可用性状态信息给终端；它可以提供时钟同步服务给终端；它也可以携带消息给未使用控制器的