IPv6助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)駛上快車道，打通工業(yè)應(yīng)用中最后一公里

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要使能技術(shù)，通過人機(jī)物的深度互聯(lián)和深度融合，可為智能工廠提供完備的網(wǎng)絡(luò)支撐。網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)深度融合，期望實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，滿足靈活便捷接入需求，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)終端和設(shè)備的可尋址、可通信、可控制。然而IPv4 的地址早已枯竭，只有引入IPv6 才能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備對(duì)海量地址空間的需求。如何實(shí)現(xiàn)IPv6 技術(shù)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的融合，突破IPv6 技術(shù)與工業(yè)有線、工業(yè)無線等網(wǎng)絡(luò)的適配關(guān)鍵技術(shù)，解決標(biāo)準(zhǔn)化問題，打通IPv6 在工業(yè)應(yīng)用中的“最后一公里”，是當(dāng)前急需解決的問題。

一、基于IPv6 的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化需求

1、IPv6關(guān)鍵技術(shù)

基于IPv6 的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了工廠內(nèi)外網(wǎng)的打通，同時(shí)也帶來了新的安全風(fēng)險(xiǎn)和安全挑戰(zhàn)。針對(duì)基于IPv6 的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中存在的安全威脅，需考慮面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)底層設(shè)備需求，研究資源受限性環(huán)境下基于IPv6 的安全實(shí)現(xiàn)方法，面向數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)的安全策略，制定密鑰管理、訪問控制、路由安全、加密校驗(yàn)和IPSec 等多項(xiàng)安全機(jī)制，以達(dá)到數(shù)據(jù)保密性、數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)新鮮性等安全目標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)化方面，應(yīng)考慮對(duì)資源受限性環(huán)境下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IPv6 安全機(jī)制、安全管理方法、安全分級(jí)進(jìn)行規(guī)范，從而為實(shí)現(xiàn)可信的IPv6 地址分配、路由環(huán)境以及為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全通信建立基礎(chǔ)，確立基于IPv6 的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全模型，給出基于IPv6的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全策略，并劃分基于IPv6 的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全等級(jí)。

2、IPv6地址分配和管理技術(shù)

IPv6 地址分配及管理體系是構(gòu)成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵性基礎(chǔ)資源。IPv6 地址分配和管理過程中主要使用有狀態(tài)地址的自動(dòng)配置技術(shù)。有狀態(tài)地址自動(dòng)配置技術(shù)是通過DHCPv6，即動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，DHCPv6 系統(tǒng)中的DHCP 服務(wù)器、DHCP客戶端和DHCP 中繼通過UDP 協(xié)議交換消息。網(wǎng)絡(luò)接口從DHCP 服務(wù)器得到地址配置信息，DHCP 服務(wù)器只對(duì)廣播前綴地址廣播，客戶端收到這種廣播后再使用EUI64 算法生成全球唯一的IPv6 地址，進(jìn)行自我配置。標(biāo)準(zhǔn)化方面，應(yīng)考慮對(duì)面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的IPv6地址分配和管理進(jìn)行規(guī)定，梳理工業(yè)領(lǐng)域地址資源，提出地址規(guī)劃的相關(guān)要點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)基于IPv6 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵性基礎(chǔ)資源有效分配和管理，以提高地址資源利用效率及網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

3、基于IPv6的無線網(wǎng)絡(luò)介入技術(shù)

隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，越來越多的無線網(wǎng)絡(luò)接入到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議眾多，系統(tǒng)尺度和維度各異，網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)互通難且傳輸效率低，缺乏高效的融合組網(wǎng)架構(gòu)及靈活的配置方法，無法滿足實(shí)現(xiàn)制造網(wǎng)絡(luò)的扁平化。通過引入IPv6 技術(shù)，可有效解決異構(gòu)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)地址分配和互聯(lián)互通的難題。部署和實(shí)現(xiàn)IPv6 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，需考慮與傳統(tǒng)非IP工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的兼容性，設(shè)計(jì)與支持工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)的集成架構(gòu)，構(gòu)建全面的底層物聯(lián)網(wǎng)到互聯(lián)網(wǎng)無縫融合和集成的技術(shù)體系。同時(shí)，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)也需考慮通過引入適配層等方法兼容IPv6，提升尋址技術(shù)、移動(dòng)性技術(shù)等適配能力，滿足AGV機(jī)器人、遠(yuǎn)程無線控制、無線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等應(yīng)用的需求。標(biāo)準(zhǔn)化方面，主要應(yīng)考慮制定基于IPv6 的無線接入相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，定義面向IP 技術(shù)的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)接入架構(gòu)，支持IPv6 的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)接入要求和不支持IPv6 的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)接入要求。

4、基于IPv6 的有線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)

工業(yè)以太網(wǎng)采用典型的以太網(wǎng)+TCP/IP 應(yīng)用模式，能很自然的與信息網(wǎng)絡(luò)集成，促使工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)無縫連接，實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息系統(tǒng)的垂直集成。工業(yè)以太網(wǎng)與IP 技術(shù)的結(jié)合擁有大量前期基礎(chǔ)，但將工業(yè)以太網(wǎng)遷移到IPv6 仍是一個(gè)漸進(jìn)的過程。初始階段，在基于IPv4 的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)中，依然會(huì)出現(xiàn)IPv6 孤立網(wǎng)絡(luò)，為了保持通信，這些IPv6 孤立網(wǎng)絡(luò)可通過IPv4 隧道實(shí)現(xiàn)連接。同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)IPv6 和IPv4 網(wǎng)絡(luò)資源的互訪，可以利用精準(zhǔn)時(shí)間同步技術(shù)與總線供電技術(shù)設(shè)計(jì)面向工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)無線的相應(yīng)的專用信息服務(wù)適配器，實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)與基于IPv6 的全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之間的集成。標(biāo)準(zhǔn)化方面，應(yīng)考慮工業(yè)以太網(wǎng)過渡到IPv6 網(wǎng)絡(luò)的適配技術(shù)要求，包括工業(yè)以太網(wǎng)與IPv6 網(wǎng)絡(luò)融合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、翻譯、隧道、雙棧、時(shí)間同步、安全、IPv6 適配邏輯模型與數(shù)據(jù)流以及協(xié)議與標(biāo)識(shí)等適配要求。

5、IPv6 網(wǎng)絡(luò)調(diào)度技術(shù)

未來的智能制造柔性生產(chǎn)將實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)域中按需靈活重構(gòu)，智能設(shè)備在不同生產(chǎn)域間遷移和轉(zhuǎn)換，并在生產(chǎn)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)即插即用。這就需要網(wǎng)絡(luò)的靈活組網(wǎng)和調(diào)度, 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的可定制化和動(dòng)態(tài)調(diào)整，軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN) 是其中實(shí)現(xiàn)方式之一。對(duì)于IPv6 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)而言，由于工廠規(guī)模較大，必然存在著多個(gè)類型或相同或不同的網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)的控制器共同組成了針對(duì)工廠的整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的控制平面。通過建立基于SDN 的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流管理與調(diào)度機(jī)制，打破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理、控制分層異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度與整體優(yōu)化。標(biāo)準(zhǔn)化方面，應(yīng)考慮工業(yè)場(chǎng)景下基于SDN 的聯(lián)合調(diào)度結(jié)構(gòu)、流程和接口，及網(wǎng)絡(luò)多控制器的管理結(jié)構(gòu)、跨網(wǎng)數(shù)據(jù)流聯(lián)合調(diào)度過程、SDN 控制器與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)管理器之間的東西向接口等要求。

二、基于IPv6的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作

目前，針對(duì)基于IPv6 的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)的研究較少，IETF、ISO/IEC JTC1、ITU-T、IEC 等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織作為早期研究和制定工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IPv6 標(biāo)準(zhǔn)的先驅(qū)，取得了大量IPv6 核心標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)成果。同時(shí)，也應(yīng)該看到在IPv6 安全技術(shù)、IPv6 地址分配和管理、基于IPv6 的有線網(wǎng)絡(luò)接入及相關(guān)測(cè)試規(guī)范等方面目前還有待進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化。

結(jié)語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下IPv6 的應(yīng)用部署和兩者的融合發(fā)展已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。未來，應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)體系的支撐下，進(jìn)一步推動(dòng)IPv6 在工業(yè)的廣泛應(yīng)用部署，研制行業(yè)IPv6應(yīng)用的技術(shù)、設(shè)備、管理等標(biāo)準(zhǔn)，爭(zhēng)取打通IPv6 在工業(yè)應(yīng)用中的最后一公里。