工业互联网新基建解决方案案例面向服务可保证的工业互联网网络切片.docx
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工业互联网新基建解决方案案例面向服务可保证的工业互联网网络切片
面向服务可保证的工业互联网网络切片
1概述
1.1背景
工业互联网浪潮下，IT、CT和OT技术已经出现深度融合的趋势。
IT需向OT注入敏捷灵活的业务应用，例如工厂网络如今普遍引入MES、SCADA等工业软件系统；工业生产流程正在向数字化与信息化发展；基于大数据的人工智能以及预测性分析也得到了越来越广泛的应用。
CT向OT注入可靠可管的网络服务，例如CT需满足工业网络有线或无线等接入方式的多元化需求；需要SDN技术实现网络灵活调度集中优化；需要NFV技术实现网络设备资源共享和多生态应用等，以保障低时延、高可靠、确定性的工业内外网络承载。
在垂直行业的多样化需求的促使下，运营商需要提供端到端的全方位服务。
一方面，不同垂直行业存在多样化的网络接入方式以及协议标准。
另一方面，不同的业务也对组网有着差异化的需求，例如VxLAN、L2TP等的各类隧需求、苛刻的端到端网络时延需求、极高的安全性及数据隐私保护需求和端到端的贷款保障与定制化QoS需求。
在新型的网络需求背景下，运营商需化“管”为“保”，提供服务质量可保障的能力，张弛有度地经营共赢生态，促进行业健康有序发展。
1.2实施目标
网络切片是从运营商网络中划分出的一部分基础设施资源以及网络/业务功能实体形成的虚拟网络及资源池。
面向服务可保证的工业互联网网络切片解决方案可以为垂直行业用户提供连接、带宽、时延、安全、管理、可靠性等多样化的网络定制服务。
1.3适用范围
本方案利用网络各层的物理和逻辑隔离技术来划分网络资源，为垂直行业提供质量可保障的基础网络服务，适用于各个垂直行业以及对网络质量有特殊需求的场景，例如低时延以及确定性时延的工业运动控制场景、企业各分部之间高安全需求的专线场景以及组网方式灵活可变的柔性制造场景等。
1.4在工业互联网网络体系架构中的位置
图1工业互联网互联示意图
本解决方案主要涉及工业互联网体系架构中的工厂外部网络（互联网/移动网/专用网络），并涉及多方面的业务流程，例如，工厂云平台与协作平台、智能产品与工厂之间数据的安全
传输问题；也可应用于智能工厂内部网络，例如智能机器与工厂控制系统的交互、智能机器之间的交互、工厂控制系统与工厂云平台交互的实时性以及可靠性问题。
2需求分析
2.1业务端到端时延可保证
传统业务聚焦带宽保证，现阶段承载网通过建设专网、流量优化调度和及时扩容的手段，满足业务对带宽的需求。
在较高的带宽需求之外，新型业务为给用户提供极致的业务体验，对网络端到端的时延也提出了新的需求，包括了极低时延和确定性时延两方面。
极低时延需求是对时延的绝对值进行优化，从数十毫秒提高到数毫秒，已经成为IP承载网未来技术演进的重要需求之一。
在车联网、远程医疗等极端业务场景中，时延要求达到1毫秒以下，否则业务将无法正常运行，从而带来一系列安全性等问题。
确定性时延针对时延标准差进行优化，是端到端时延敏感型业务质量衡量的新维度，也对网络承载技术提出了更高的要求。
工业控制、远程医疗、机器人等应用领域需要控制信令端到端精准的传输，例如多机械手臂联动、柔性制造，人机互动等场景下，确定性时延是多个控制系统协作的基础。
工业互联网网络发展的目标是低时延+高确定性，不仅要实现及时性，更要实现准时性。
时延指标无法用设备转发能力的堆叠实现，而是需要从设备转发面、控制面的实时性，设备部署位置等维度综合考虑和优化，这将是下一代承载网面临的重
要挑战和技术难题之一。
图2工业互联网网络时延优化目标
2.2泛在的计算及存储资源改变流量模型
集中式DC部署呈现汇聚式流量模型，以主机为请求对象效率最高，流量的疏导和优化在汇聚式流量模型中呈现一定规律性，较为容易疏导。
泛在的边缘计算促使流量模型离散化，泛在的计算/存储资源是满足未来业务极致体验的必然发展方向，流量模型更加扁平化、离散化；以信息为请求对象（ICN）有利于提高网络使用效率。
网络切片可以在提供专用网络连接资源的同时，也提供定制化的相应的计算和存储资源，以满足泛在计算新型的流量模型。
图3扁平、离散式的流量模型
2.3网络及数据的安全
工业互联网的趋势下，工厂内网需要IP化进行互联互通，部分数据会上传至云端进行数据分析等。
工厂网络互联互通为生产制造全流程自动化提供了网络基础，云网互联为大数据分析优化生产效率等提供了存储及计算资源，同时，也将会带来一定的安全风险。
原本工厂层级化的组网模式可以使车间网络免受互联网攻击带来的影响，全网IP化为工厂全网以及各子网之间的安全性提出了更高的要求；工业数据上传至云端也带来了数据被窃取及篡改的风险，需要更加可靠和安全的专用网络传输机制也来保障工业数据的安全。
3解决方案
3.1方案介绍
网络切片是从运营商网络中划分出的一部分基础设施资源以及网络/业务功能实体形成的虚拟网络及资源池，满足垂直行业用户在连接、带宽、时延、安全、管理、可靠性等多样化定制需求。
在传统网络“尽力而为”的传输方式下，多种业务流数据
在网络中混合传输，相互干扰，无法确切保证某种业务流的传
输需求，如图4。
网络切片可以将大网资源进行细粒度划分和专用，为不同业务提供定制化的保证能力，如同不同业务都在各自的“专网”上传输，互不干扰，具有专用性、异构性和灵活性等特点，如图5。
专用性：
网络切片实现网络资源的高隔离性来保证业务间的专用性，并可以提供带宽时延等指标的保证。
异构性：
网络切片可以兼容承载网各管理域，形成全网络
图5网络切片为不同业务提供隔离性强的定制化的保证能力
在网络切片服务中，运营商是典型的网络切片提供商，拥有网络基础资源及该资源上承载的各类网络/业务功能实体，基础资源和实体是网络切片的组成元素；网络切片的租户可以是虚拟运营商、行业用户及个人用户。
通过运营商的切片管理系统，租户可以根据自己对基础资源及网络/业务功能的要求申请定制化切片服务。
3.2系统架构
系统架构包含了网络切片编排器（NSO）、可用的切片相关技术管理、底层网络资源和功能等部分，并且包含了网络配置模型（NCM）和设备配置模型（DCM）等模型。
切片提供者将网络切片作为服务（NSaaS）传递给用户，但是往往用户可能需要不同的切片技术来实现相关功能，这就需要网络切片的编排器来协同异构的底层网络资源。
图6网络切片的编排架构
用户NST通过服务模型来请求NSaaS,该服务模型用用户的语言来描述切片，通常为业务体验类的语言。
切片提供者（运营商）将用户需求翻译给服务传递模型，这个模型可以用来描述运营商怎么使用自己的资源来提供支持业务。
该传递业务模型会被发送到网络切片的编排器（NSO），并且和不同的技术来映射，进一步分解到网络配置模型中。
最终在网络配置模型
（NCM）中建立起相对应的底层设施和功能的参数，从而调用相应的底层资源建立起相应切片的服务。
3.3网络拓扑设计
网络切片的建立及业务的访问流程如图7所示，主要包括参数映射、切片编排与分发、域管理控制等。
参数映射模型提供将切片用户的业务需求映射为具体网络性能指标的依据，切片编排与分发器调用相应底层的连接与存储资源来实现不同指
3.4功能设计
图7网络切片的建立及业务传输流程
3.4.1网络切片的智能化配置
网络切片实施的关键步骤是将用户的实际需求映射为传统网络质量需求，例如将流畅清晰地播放视频和语音，实现网络设备的即插即用以及保障7天24小时随时在线等需求，映射为网络的平均峰值带宽、时延、抖动以及故障保护等指标，从而使网络切片提供商提供相应专用、隔离、服务可保证的网络切片。
并且，可以引入AI技术实现参数映射和迭代优化，更好的
满足用户需求。
图8网络切片的智能化配置
3.4.2网络切片的跨域管理
跨管理域编排实现端到端的网络切片管理，满足不同网络拓扑、性能与功能的需求。
网络数据的传输过程中，不同的业务会由不同的方式或不同的网络协议进行承载转发。
例如，分支机构向总部的业务请求，可能会经过2层VPN到3层路由等协议，分支机构向云发送业务请求，可能会经过无源光网络到波分复用的转换等。
网络切片需实现网络各层级转换的无缝衔接，保障业务数据流端到端的可识别性，从而提供专属的网络切片来进行承载和转发。
图9网络切片的跨域管理
3.4.3计算资源与连接资源统筹调度和编排
网络切片可以实现计算资源与连接资源统筹调度和编排，
满足垂直行业需求的网络与计算资源一站式服务。
传统模式下，用户需要分别向云服务提供者和互联网服务提供者请求IaaS、PaaS、SaaS服务以及VPN、CDN等网络服务。
网络切片可以通过仲裁服务商提供给用户集成式一体化的端到端的服务。
以利用加密、隧道协议等技术来保证业务流的传输安全性，避
免数据被窃取识别，保障了业务的安全性。
工业领域IPV6改造升级解决方案
紫光云引擎科技（苏州）有限公司网络改造技术篇/前沿技术/其他
1概述
随着用户的数据中心、广域网、园区网络的成功运行、改造完成，网络建设规范也陆续完善起来。
由于业务与用户的迅猛增长，致使双栈网络还是隧道过渡，已经不再是关注的重点。
而如何能够将IPv6网络建设成和IPv4网络一样安全、可管理、可运营成为对当前用户网络新的挑战。
1.1背景
当代中国，互联网是关系国民经济和社会发展的重要基础设施，深刻影响着全球经济格局、利益格局和安全格局。
我国是世界上较早开展IPv6试验和应用的国家，在技术研发、网络建设、应用创新方面取得了重要阶段性成果，已具备大规模部署的基础和条件。
抓住全球网络信息技术加速创新变革、信息基础设施快速演进升级的历史机遇，加强统筹谋划，加快推进IPv6规模部署，构建高速率、广普及、全覆盖、智能化的下一代互联网，是加快网络强国建设、加速国家信息化进程、助力经济社会发展、赢得未来国际竞争新优势的紧迫要求。
1.2实施目标
在部署IPv6之前，我们首先应该考虑IPv6部署的总体方案和策略，具体考虑因素如下：
首先考虑网络设备对IPv6业务支持的广度。
比如IPv6的过渡技术有手工隧道方式，自动隧道方式，有基于MPLSVPN技术的6PE方式，有基于网络地址转换技术的，IPv6的单播路由协议有RIPng,OSPFv3,ISISv6,BGP4+等等，IPv6的组播路由协议有PIM-DM，PIM-SM,PIM-SSM,MLDv1,MLDv2等等。
支持的业务种类越多越方便我们进行研究。
其次考虑网络设备对IPv6业务支持的深度。
IPv6首先应该部署在运营商网络。
这是因为在IPv6网络里没有私网地址概念
（Sitelocal地址类型已经被IPv6工作组取消），永远不出现NAT（指类似IPv4私有地址访问公有地址的方式）。
现阶段IPv6网络的复杂度应该大于IPv4的电信运营网络，IPv4和IPv6混合组网的现象应该是当前的主旋律，也必定是一个长期演进的缓慢过程。
再次，广泛使用的用户终端设备及办公软件等对IPv6支持能力参差不齐。
虽然移动终端系统（IOS、Android等）、固定终端系统（PC等）都标称已经支持了IPv6能力，如对于客户端获取IP地址的方式，IOS支持DHCPv6，但Android仅支持ND方式，支持和协议实现方式的不同给IPv6的部署和推广带来了超出预期的技术成本和改造难度。
此外，基于IPv6的互联网应用寥寥可数，众多应用服务商并未找到合适的IPv6应用盈利方式，内容和应用的缺失又反过来加剧了IPv6发展迟缓的问题。
最后考虑IPv6标准发展、完善的持续性。
目前IPv6标准中仍有许多处于草案阶段，即使已经成为RFC标准的，以后仍有可能会进行协议扩充。
综上所述，部署IPv6网络的时候，应该采用平滑过渡的策略。
首先完成IPv6基础网络承载能力建设的目标，为将来IPv6应用上线做好准备。
其次根据现有用户实际网络及应用的实际部署情况，应用双栈技术和过渡技术，在不影响现有IPv4主体拓扑结构和网络架构的前提下，使得现网中需要部署IPv6网络的地方能够通过各种隧道和翻译技术，过渡阶段协议内、协议间的应用互访。
1.3在工业互联网网络体系架构中的位置
工业领域IPV6升级/改造解决方案在下图（图1）：
工业互联网网络体系架构中处于工厂外部网络（互联网/移动网/专用网络）这个位置，关联关系为：
7工厂云平台（及管理软件）与协作平台，8智能产品与工厂。
为企业上云提供网络基础支撑。
图1工业互联网互联示意图
2需求分析
2.1互联网演进升级的必然趋势
基于互联网协议第四版（IPv4）的全球互联网面临网络地
址消耗殆尽、服务质量难以保证等制约性问题，IPv6能够提供充足的网络地址和广阔的创新空间，是全球公认的下一代互联网商业应用解决方案。
大力发展基于IPv6的下一代互联网，有助于显著提升我国互联网的承载能力和服务水平，更好融入国际互联网，共享全球发展成果，有力支撑经济社会发展，赢得未来发展主动。
2.2技术产业创新发展的重大契机
推进IPv6规模部署是互联网技术产业生态的一次全面升级，深刻影响着网络信息技术、产业、应用的创新和变革。
大力发展基于IPv6的下一代互联网，有助于提升我国网络信息技术自主创新能力和产业高端发展水平，高效支撑移动互联网、物联网、工业互联网、云计算、大数据、人工智能等新兴领域快速发展，不断催生新技术新业态，促进网络应用进一步繁荣，打造先进开放的下一代互联网技术产业生态。
2.3网络安全能力强化的迫切需要
加快IPv6规模应用为解决网络安全问题提供了新平台，为提高网络安全管理效率和创新网络安全机制提供了新思路。
大力发展基于IPv6的下一代互联网，有助于进一步创新网络安全保障手段，不断完善网络安全保障体系，显著增强网络安全态势感知和快速处置能力，大幅提升重要数据资源和个人信息安全保护水平，进一步增强互联网的安全可信和综合治理能力。
2.4目前，以IPv4网络为主的客户，存在如下问题：
1）IP地址资源短缺，客户地址不够用
2）网络地址转换（NAT）导致端到端应用受限，客户业务开
展不灵活
3）服务质量（QoS）上无法实现端到端部署，客户关键业务没有保障
面对运用IPV4网络的客户群体的痛点和升级改造的需要，IPv6作为下一代网络的基础以其明显的技术优势从根源上解决了IPv4的问题，并增强了未来的扩展性。
3解决方案
作为IPv4协议的替代，IPv6协议使用128位的地址结构解决了IP地址不足的问题，同时对一些特性进行了优化处理。
出现于IPv4时代的组播技术，由于其有效解决了单点发送、多点接收的问题，实现了网络中点到多点的高效数据传送，能够大量节约网络带宽、降低网络负载，因此在IPv6中的应用得到了进一步的丰富和加强:
1）128位IPv6地址让客户的每台设备都有全球可达地址，客户不用为地址烦恼
2）IPv6报头结构优化，处理效率提高，提升客户整网性能
3）IPv6充分考虑了客户现存IPv4现状，可以实现平滑过渡，扩展性好，保护客户投资
4）IPv6即插即用功能提供更方便的部署方法，简化客户网络部署
5）IPv6流标签能力让QoS端到端部署可以实现，保障客户的关键业务
6）IPv6内置安全特性，保护客户网络
IPV6解决方案的整体设计主要包括：
网站IPv6改造，DNS
系统IPv6改造，服务器负载均衡IPv6改造，网站双栈改造，企业分支点IPV6改造，传统广域网IPv6迁移方法，IPv6无线网部署等环节。
3.1网站IPv6改造方案概述
IPv6服务平面对外提供IPv6服务。
3）地址族转换：
在IPv4网站外部，挂接一台v4/v6地址族转换设备，原有IPv4源站不需修改，把DNS域名解析AAAA记录指向转换设备配置的IPv6地址；IPv6用户访问目标网站，经DNS解析调度后转向访问转换设备的IPv6地址，转换设备从IPv4源站读取数据，经过协议转换后发送数据给IPv6用户。
3.2DNS系统IPv6改造
1、DNS系统特点：
（如图3）
1）DNS系统提供主机名字和IP地址间的相互转换。
DNS采
用C/S模式，DNS客户端提出查询请求，DNS服务器负责相应请求。
2）DNS系统是一个具有树状层次结构的，联机分布式数据库系统。
图4DNS域名解析
1）主机客户端向本地域名服务器发起DNS解析请求。
2）本地域名服务器接收主机客户端DNS解析请求，从本地数据库查询域名对应的IP地址。
如果从本地数据库中查询到对
应的IP地址，则将查询结果返回给主机客户端；如果无法从本地数据库查询到对应结果，则本地服务器必须查询其他的DNS服务器（类似于根服务器，二级、三级域名服务器），直到得到确认的查询结果返回主机客户端。
3、域名发布IPv6改造：
添加AAAA记录绑定域名。
1）在域名注册服务提供商管理界面添加AAAA记录，由域名注册服务提供商对外通告域名解析IPv6地址。
（如图5）
图5域名发布IPV6改造
2）自建DNS服务器添加AAAA记录，对外通告域名解析IPv6
地址。
多ISP出口DNS部署（如图6）
图6ISP出口DNS部署
如图6显示，部分网站出口会连接多家ISP线路。
此种多
ISP出口场景下，可使用链路负载均衡—InboundLLB解决DNS
解析问题。
图7链路负载均衡—InboundLLB解决DNS解析问题
1）LLB作为DNS服务器对外提供DNS解析服务，针对不同运营
商对外发布不同的服务IP。
2）LLB基于用户源地址返回相应运营商服务地址。
3.3服务器负载均衡IPv6改造
图8服务器负载均衡IPv6改造
1）GlobalIPv6转换成其他GlobalIPv6：
整个网站基础架
构全部使用GlobalIPv6部署。
其中一部分GlobalIPv6作为对外解析的服务IP，服务器集群使用非服务IP的其余GlobalIPv6地址。
此场景下，服务器集群中任何一台服务器均可通过Internet直接访问。
2）GlobalIPv6转换成ULAIPv6：
网站使用GlobalIPv6
作为对外解析的服务IP，服务器集群使用ULAIPv6进行部署。
此场景下，ULAIPv6路由不会在公网上传播。
普通客户使用Internet访问web服务，只能通过负载均衡设备将GlobalIPv6转换成ULAIPv6后才能进行访问。
3.4网站双栈改造
1、评判规则：
1）网络基础架构：
拓扑结构清晰，现网设备绝大部分支持双栈。
2）客户层面：
能接受软件代码、中间件等IPv6适配改造的时限。
2、改造方案：
图9工网站双栈改造方案图
1）网络基础架构：
交换机、路由器使能双栈。
重点评估设
备表项能力。
若设备表项能力较低，建议替换升级设备。
若全网设备表项能力均较低，建议新建IPv6网站。
2）服务器负载均衡：
按客户需求进行改造。
如果客户想要对外隐藏服务器集群IP，建议部署GlobalIPv6转换成ULAIPv6服务器负载均衡。
3）DNS系统：
添加AAAA记录，对外发布IPv6解析地址。
若存在多ISP出口，建议部署双栈链路负载均衡。
4）应用基础、业务代码进行双栈适配改造。
3.5网站地址族转换改造
1、评判规则：
客户层面：
资金预算紧张，希望以最小代价、最短时间内
完成网站IPv6改造。
改造方案架构图：
3.6企业分支节点IPv6改造方法
企业分支与总部采用星型连接，各分支出口路由器通过N×
E1专线的方式分别汇接至企业总部汇聚路由器。
若新建部分IPv6分支，为了实现与分支节点的IPv6连接，可将企业总部作为汇聚节点的路由器设备升级为双栈。
这样，原有的IPv4分支与总部的连接保持不变，新建的IPv6分支节点出口设备采用双栈路由器，可接入到总部的双栈设备上。
原有的IPv4分支连接保持不变，新建的IPv6分支采用双栈的方式接入，企业分支的出口设备与企业总部的汇聚节点设
备间采用双栈。
3.7传统广域网IPv6迁移方法
1、评估现网基础架构：
⚫转发平面：
纯IPv4转发？
MPLS转发？
⚫双栈支持度；
⚫设备表项规格；
2、评估客户需求：
⚫是否有VPN需求；
⚫是否为客户重要生产网络；
⚫是否有流量可视、路径优选需求；
IPv6迁移策略：
新建IPv6广域网：
1）设备不支持双栈；2）表项规格不满足要求；3）承载重要生产网络流量。
双栈：
1）设备支持双栈；2）表项规格满足要求。
6PE：
1）MPLS转发；2）PE支持双栈；3）无VPN需求。
6VPE：
1）MPLS转发；2）PE支持双栈；3）有VPN需求。
ADWAN：
客户有流量可视、路径优选需求。
3.8IPv6无线网部署
图11IPV6无线网站部署
无线IPv6网应该具备的基本要求：
⚫支持IPv6环境——有线网IPv6已经是必须技术，无线网IPv6是必然趋势。
如果不支持IPv6势必造成将来改造成本再投入。
H3C通过部署AP与无线交换机互联基于IPv6的隧道，支持IPv6环境下的无线组网需求；
⚫IPv6ACL、IPv6组播——无线网实现IPv6，需要对用户按照不同策略进行访问控制；IPv6组播往往是园区IPv6业务的支撑技术；
•支持ACL6、DNS6、Tracert6、Telnet6、TFTPIPv6、FTPIPv6、DHCPclient6、Ping6实现IPv6有线无线网的同等管理。
4成功案例
新华三企业事业部中标赛尔下一代互联网创新园项目（中关村壹号创新园工程），拿下“两办”发文《推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署行动计划》以来首个IPv6商用项目，在新的IPv6领域占领制高点。
赛尔网络拥有全球最大的IPv6活跃用户群，也是我国下一代互联网重大应用技术工程的核心承接者。
赛尔旗下的下一代互联网创新园，是由清华大学、北京市和赛尔网络联合组建的产业创新服务载体，拥有10.5万平方米的办公空间及配套设施，聚集国家下一代互联网产业联盟等行业组织和测试认证机构，多媒体、即时通信、浏览、搜索、视频等内容提供商，以及新产品、新应用及小微开
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