工业光网白皮书（2020）

工业光网白皮书 （2020年） 工业互联网产业联盟（AII） 2020年11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 编写说明 工业互联网作为我国新基建方针的核心战略肩负着产业升级和提高高端设备制造生产能力的重大发展使命。从定义上看，工业互联网应提供工业经济全要素的全连接，是新型网络、先进计算、大数据、人工智能等新一代信息通信技术与制造技术融合的新型工业数字化系统，其网络呈现融合、开放、灵活的趋势。我国的工业企业前期发展主要聚焦在生产自动化和管理信息化上。随着信息化技术的发展，越来越多的工业企业希望通过信息化技术提高生产效率、良率，以及实现生产智能化。工业互联网正是企业形成生产和管理闭环的抓手，可以帮助企业实现端到端，全生命周期的生产数字化管理。 与此同时，我国拥有全球最大的全光基础网络和多个世界领先的光通信技术公司，是全球光通信产业和技术发展最蓬勃的国家之一。将光网络技术与工业相结合具备天然的条件和优势。此外光网络的优点是高带宽、低时延、低损耗、易运维、抗干扰。这些优势可充分用于满足企业在智能制造过程中的网络需求，同时又可以保证网络的安全、便捷和易用。可通过建设工业光网实现企业园区内的生产控制、厂区监控、办公业务的统一接入，以实现企业人、机、物的全面互联。 本文档由中国信息通信研究院牵头，工业互联网产业联盟多家成员单位参加编写完成。主要参与单位有：华为技术有限公司、中国电信集团有限公司。目前，已经形成了白皮书的征求意见稿，文中肯定还存在诸多不足之处，欢迎各位专家学者提出意见，共同促进本白皮书的完善，共谋工业光网新发展。 牵头编写单位：中国信息通信研究院 参与编写单位：华为技术有限公司 、中国电信集团有限公司 编写组成员（排名不分先后）： 公司名称：姓名1、姓名2、姓名3 公司名称： 公司名称： 目 录 一、工业光网概述 .................................. 1 （一）工业光网的建设背景 ..................... 1 （二）工业光网的概念 ......................... 4 （三）工业光网的总体架构 ..................... 5 二、工业光网的应用范围和行业部署场景 ............. 8 （一）工业光网的应用范围 ..................... 8 （二）工业光网的行业部署场景 ................ 11 三、工业光网的典型技术 .......................... 27 四、工业光网的建设 .............................. 42 五、工业光网的发展趋势及建议 .................... 45 附录1：现场勘查 ................................ 47 1 一、工业光网概述 （一）工业光网的建设背景 2015-2016年国务院相继发布了《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》和《关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》，首先提出推动互联网与制造业融合，提升制造业数字化、网络化、智能化水平，加强产业链协作，发展基于互联网的协同制造新模式。2017年11月，国务院印发了《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》，将工业互联网上升为我国“制造强国”的国家战略，《意见》指出应增强工业互联网产业供给能力，持续提升我国工业互联网发展水平，以推动现代化经济体系建设。2019年的全国两会上，“工业互联网”成为“热词”写入《2019年国务院政府工作报告》。在2020年的政府工作报告中，工业互联网成为我国新基建（新型基础设施建设）的核心战略，肩负着产业升级和企业转型高端设备制造生产能力的重大发展使命。 工业互联网作为实体经济数字化转型的关键支撑，网络属性是其中重要的组成部分，是工业互联网的基础底座。它实现了生产要素之间的数据传输和传输信息间的数据理解。在实际应用中可通过有线、无线方式实现工业互联网体系相关的人机物料法环以及企业上下游、智能产品、用户等全要素连接，实现端到端数据传输，并通过数据和信息在各要素、系统间的无缝传递，使得异构系统在数据层面能相互“理解”，从而实现数据互操作与信息集成的能力。 在我国，由于工业企业前期发展主要聚焦在生产自动化。企业 2 整体的信息化建设起步较晚，工厂内部网络并未能有效、按需连接全部的生产要素。企业的不同生产网间，企业与第三方平台之间也并未做到充分的互联互通。工业网络具有很大的改造与发展空间，其中包括： ⚫ 网络中存在信息孤岛：企业在部署工业网络时，前期主要聚焦于生产环节，而信息化、数字化建设起步较晚，导致生产网络未能覆盖必要的生产要素，部分生产网内仍然存在信息孤岛，无法实现按需的生产数据跨系统互通和融合分析。 ⚫ 工业网络设备国产化率不足：随着国际关系的复杂，传统工业网络设备的应用限制开始显现。同时针对工业企业的网络攻击也频繁出现。传统工业网络设备的国产化率不高，无法做到自主可控，具有企业信息泄露的安全性风险。 ⚫ 工业网络协议标准不统一，不开放： 目前工业现场总线和工业以太网的国际标准繁多，协议互不兼容，工业领域缺乏一套能够兼容、转换多种协议和数据建模分析的综合性解决方案，无法低成本灵活实现对传统工业设备的信息化改造。 ⚫ 传统设备组网结构不灵活：随着多元化的生产需求的出现，工业网络要求生产设备能够接入网络，新增设备节点可以随时加入网络但不影响网络中其他设备的运行。管理方面，用于生产设备可按需划分在不同生产域进行管理。在不同生产网间，企业与第三方平台之间也会根据管理协同的要求进行网络的联通。传统的工业网络对新业务的支持不够灵活。 3 ⚫ 复杂工业场景下网络部署难：工业应用场景复杂多样，部分场景的工业现场设备所处环境，干扰大，部署端到端网络进行控制管理的难度大。 工业互联网产业联盟已经发布了《工业互联网体系架构（版本2.0）》，其中明确工业互联网的部署将为传统工业网络带来融合、开放、灵活的特点，未来的工业网络将向着以下的方向发展： ⚫ 网络架构逐步融合：网络结构扁平化，实现IT网络与 OT 网络的逐步融合。此外高实时控制信息与非实时过程数据可共网传输。 ⚫ 网络更加开放：新型网络技术将实现网络各层协议间的解耦合，推动工业互联网网络技术的开放。生产全流程的数据将换为统一的协议格式通过API接口开放给上层工业应用使用。 ⚫ 网络控制和管理更为灵活友好：网络形态灵活。支持根据业务灵活的进行网络调整，快速构建出生产环境。此外网络管理应具有友好的可视化界面。 ⚫ 网络设备自主可控：网络设备具有一定的国产化基础，可按需为企业提供自主可控的管理能力。 ⚫ 网络安全可靠：采用新型工业互联网技术部署的工业网络应保证在不同应用场景下运行安全可靠。此外还可以提供对网络的保护能力。 在工业互联网的众多网络技术类型中，工业光网凭借其高效、 4 灵活、易管控等网络特点使其作为有线网络的一种部署形式涌现出来。工业光网采用的光网络技术已在公众客户网络中取得了广泛的应用，具有深厚的实践基础。在工业场景下，工业企业可以通过部署一张工业光网连接工业生产、环境监控与信息管理网络，降低了网络部署的层级和复杂性，为企业提供了高效、可靠的网络连接和数据互通能力。 （二）工业光网的概念 1. 什么是光网络 光网络（Optical Network）通常是指使用光纤作为主要传输介质的广域网、城域网或者局域网。应用于光网络的光通信技术不仅仅是简单的光纤传输链路，它是在光纤这个基础的传输媒质上，利用光电控制以实现多节点网络的互联和灵活调度的特有技术，它使得光网络具有天然的高带宽、低时延、低损耗、易运维、抗干扰的传输特点。 光网络已经经历了多代的发展，不仅实现了全球光网络技术标准、光接口的统一，还定义了对光信号质量监控、故障定位和配置等重要的网络管理功能。2020年2月，国际组织ETSI正式成立了第五代固定网络（F5G）工作组，研究新一代光网络，即全光网络的建设。全光网的发展目标是通过将光纤技术全面应用于各种场景，将我们熟知的“光纤到家”推进到“光联万物”。未来，光网络将向从全光联接（FFC）、增强型固定宽带（eFBB）、可保障的稳定体验（GRE） 5 三个维度演进和发展，近年来通信业界高频率出现的千兆光纤网络所覆盖的关键领域，也是全光业务网所覆盖的关键领域。 2. 工业网络与光网络结合 中国工业制造业经过近几十年的飞速发展，规模已经跃居世界第一，目前正处在转型的攻坚阶段，以完成量到质的转变，向高端制造业强国迈进。工业互联网是企业转型升级的抓手之一。与此同时，我国拥有全球最大的全光基础网络，也是光产业发展最蓬勃发展的国家之一。我国拥有多个世界领先的光通信技术公司。将光网络技术与工业相结合具备天然的条件和优势。此外光网络具有高带宽、低时延、低损耗、易运维、抗干扰的优点。这些优点可满足企业在智能制造转型升级过程中的网络需求，同时又可以保证其网络的安全、便捷和易用。 （三）工业光网的总体架构 1. 工业光网的定义 工业光网是采用光通信技术互联工业企业全生产要素的网络技术，是工业OTN、工业PON、工业光总线等采用光技术实现设备互联互通的网络技术总称，可根据工业企业实际的建网需求部署，为企业生产管理业务提供便捷高效的光网络承载。企业可以通过建设一张全光网实现工业网络的生产控制、厂区监控、办公业务的统一接入等，完成人、机、物的全面互联。此外，企业还可以按照发展需要将工业光网与工厂内现有网络相结合，实现工业光网与工业以太网、5G、WIFI等网络技术的融合组网。 6 2. 工业光网的总体架构 目前工业界已在传统工业网络中部署了基于光纤互联的以太网交换机或光端机。本部分介绍的工业光网架构作为工业生产数字化、智能化的抓手，将重点介绍除光互联以太交换机、光端机以外的、在通信产业被广泛应用的光通信技术。 工业光网整体架构示意图见图1。 图1 工业光网的体系架构图 工业OTN设备可以部署于工业园区网络中的园区骨干网，用于连接园区云基础设施、园区公共服务网络和企业生产网络，此外还可通过部署OTN网络实现不同园区的互联互通以及园区到公有云的连接。 工业PON设备可以部署于企业车间级和工厂级，用于承载企业的生产、监控和办公业务。此外还可以通过在车间级部署工业PON设备实现协议转换功能，为不同类型的现场级设备、传感器与企业 7 信息管理和云服务平台之间提供基于标准化统一协议的业务承载能力。 工业光总线设备可以部署于企业生产网络中的现场级，用于现场级主站PLC与生产装备内其他从站的全光总线互联。 3. 工业光网可实现的价值 工业光网除具备传统光通信网络带宽容量大、损耗低、支持长距离传送、抗电磁干扰能力强、安全性能和保密性好的特点外，还针对工业网络环境的运行特点增加了设备对多协议的兼容性和管理性的自主可控能力，可以带给企业的价值如下： ⚫ 自主运营和管理能力：工业光网可完全部署于企业内网，并可在企业内部设置管理平台，提供工业光网设备的自主运维和管理能力，使生产、管理数据均不出企业； ⚫ 网络部署灵活便捷：在已部署的工业光网中新增业务节点，对正在运行的其他网络节点无影响。且工业光网部署中含有大量无源器件，无需外部电源