沒有燈光的車間內，只有機器設備在忙碌：AGV自動導引車將各種配件及成品送到指定位置，機械臂上下飛舞，生產線穩定地運行，持續交付著符合質量標準的成品。這是人們對當前非常熱門的“黑燈工廠”的認識。“黑燈工廠”是Dark Factory的直譯，即智慧工廠，因為從原材料到最終成品，所有的加工、運輸、檢測過程均在空無一人的“黑燈工廠”內完成，無需人工操作，故而得名。

這種現場少人化、無人化的生產模式，在冶金、礦山等現場操作環境惡劣的行業有著更為迫切的需求。例如，傳統煉鋼過程需要多名工人協作，工作環境惡劣，危險系數高，勞動強度大，而遠程集控方式可以實現生產現場操作的少人化、無人化，既能提升生產效率，又能保護工人安全。

為了實現遠程集控，需要將冶金、礦山等場景的主PLC控制模塊部署到“集中控制室”，工人在集中控制室就可完成操作。這一過程中，主PLC與生產現場的從PLC之間不僅會出現跨車間、跨廠區的通信，且對網絡的時延、抖動要求嚴苛。以軋鋼場景為例，PLC的掃描周期在10ms以內，因此要求平均時延要小于10ms，且時延的抖動要小于30μs。

現有的工業控制網絡系統普遍采用工業以太、工業總線等局域網絡架構，這種架構不適于跨車間、跨廠區的大規模組網，也無法滿足遠程集控的網絡要求。如果采用主從PLC間光纖直連的方式，由于每一個被遠程控制的從PLC模塊均需要直連光纖，而一個車間內通常有成百上千個PLC，因此，建網成本高且不易擴展。

只有采用IP協議組成聯接海量設備的大型網絡，才能滿足遠程集控需要的多園區遠程連接、大規模組網等需求。

目前，工廠網絡正由外向內、自上而下地向IP化演進，即外網已實現了IP化，但內網的IP化仍在自上而下地逐步推進。傳統IP網絡“盡力而為”的轉發機制，雖然平均時延較低，但當多個業務流發生碰撞、產生擁塞時，會導致時延抖動的顯著增加，造成時延概率分布曲線中的“長尾效應”，時延上限無法保障，因此，難以滿足工業場景中關鍵業務對確定性低時延的要求。

應運而生的確定性IP網絡解決方案

確定性IP網絡解決方案（又稱DIP，Deterministic IP解決方案）可在傳統IP網絡的基礎上，消除因數據突發帶來的轉發抖動，充分保障網絡報文傳輸的時延上限、時延抖動上限及丟包率上限，從而實現了IP網絡從“大概率地保證服務質量”到“確定性地保證服務質量”的轉變。

確定性IP網絡解決方案的關鍵技術有哪些？

首先是周期性轉發，基于周期性調度機制，嚴格控制數據包的轉發時機，接口劃分等長的周期，使報文的每跳都可被放入確定的周期，從而避免了跨周期的突發累積。

圖1 鄰居節點的周期性映射

在發送數據報文前，鄰居間通過相應的測量協議來自動學習完成周期映射關系，學習時，將接收到鄰居某周期最后一個比特報文所在的周期+1。如圖1所示，設備B在周期T3接收到設備A.T1周期的最后1比特，則A.T1→B.T4。同時，周期映射關系需上報給控制器，以使控制器對資源進行控制。

其次是資源預留，保證在任何節點及任意周期，接收到的DIP報文不會超出本設備出接口的運載能力。通過集中控制器，為沿途轉發節點下發資源需求，由各節點根據下發的信息，為對應的業務流進行資源預留。預留資源包括與確定性IP網絡相關的鏈路帶寬、隊列及緩存等，入口邊緣節點將識別出的確定性業務流映射到為其預留的資源。

最后是路徑規劃，保證每條DIP業務都有確定性路徑。即在大規模組網時，路徑不隨網絡拓撲實時變化而發生改變。該技術確保了DIP業務流的傳輸路徑相對固定，在為資源預留技術提供保障的同時，固定路徑也為精確計算時延提供了可能，是保證有限時延及抖動的重要支持技術。同時，通過冗余路徑規避了因節點故障導致的業務不確定性，實現了業務流的實時高可靠傳輸（見圖2）。

圖2 控制器統一進行資源預留與路徑規劃

確定性IP網絡解決方案的技術效果主要體現在時延和抖動兩方面。

確定性時延：通過周期精確整形及調度避免了微突發，由于每跳的時延確定，且端到端時延是跳數的線性關系，因此，可實現端到端微秒級確定性。

由于下一跳接收到的數據不一定正好在一個轉發周期內，且需等待一個時間差才能進入轉發周期時，這個時間差是，<，因此端到端總的轉發時延基本可以確定為：

其中，加T為最壞情況下，減T為最好情況。

而上一跳與下一跳的鏈路傳輸時延與網絡節點處理時延基本是確定的。這樣，確定的轉發時延加上所有鏈路的傳輸時延及設備處理時延，就可以確定端到端的時延上限。

確定性抖動：DIP報文只要在第一跳的周期確定之后，后續各跳及最后一跳的周期也將隨之確定，也就保證了端到端時間的確定性。由于DIP不控制報文在周期內的抖動，而報文在首尾節點各有1T抖動，因此端到端抖動上限為2T，以調度周期10μs為例，端到端IP聯接的時延抖動為±10μs，且與網絡轉發的跳數無關。

確定性IP網絡解決方案助力遠程集控

作為IPv6+創新應用的重要成果之一，確定性IP網絡解決方案可在同時承載辦公、生產業務流量的IP網絡中，將工業控制類生產業務流量的時延抖動控制在目標范圍內，使得IP網絡也可用于工業控制系統的實時通信。

在鋼鐵行業中，存在大量的高溫、高危生產場景，如煉鋼、熱軋等，通過遠程集中控制實現生產現場的無人化，是鋼鐵行業數字化轉型的重要部分，可將員工從“汗流浹背、煙熏火燎”中解放出來，在提升企業智能制造水平的同時，極大地改善員工的工作環境。

以華為與寶信軟件、上海交大等聯合開展的基于確定性IP網絡技術的廣域云化PLC試驗為例（見圖3），云化PLC系統被部署在上海，執行端機械臂則部署在南京，兩者之間約600公里。采用通用IP協議，由4跳設備組成的遠距離確定性IP網絡，在重度背景IP流量的沖擊下，實現了工控業務流平均時延小于4ms，時延抖動小于30μs，云化PLC系統可穩定地控制遠端機械臂工作，試驗取得圓滿成功。

圖3 云化PLC試驗拓撲

能源行業最典型的一個場景就是礦井，往往深入地下幾百米，環境惡劣，且經常進行爆破作業，導致生產現場的PLC設備容易損壞，維修困難、成本高。如果將PLC主站設備從井下部署改為井上部署，采用確定性IP網絡解決方案組成工業環網，不僅可實現井上、井下設備的通信，最大程度避免設備的損壞，減少井下維護的負擔，對于煤礦等場景而言，還可減少井下使用防爆箱的成本。

華為推出的確定性IP網絡解決方案，包括CloudEngine S6730-H-V2系列交換機以及NetEngine 8000 M8系列路由器，可為工業控制等業務流提供端到端的確定性時延保障，其中，端到端時延抖動恒定低于30μs，且與網絡節點數量無關。此外，確定性IP網絡解決方案還可支持多園區、數萬節點的多跳組網，可提供“車間-工廠-跨工廠”的確定性IP網絡聯接服務，可實現大規模組網環境下的生產系統遠程集控。未來，曾經揮汗如雨的煉鋼工人可以坐在空調房里遠程煉鋼，礦井維護人員不再需要深入幾百米的礦井下進行設備巡檢，工人的人身安全、工廠的生產效率都會隨著數字化轉型而大幅提升。

IPv6的規模部署、IPv6+的創新應用，推動著IP技術面向工業數字化典型場景不斷與時俱進。從聯接人到聯接萬物，從辦公園區到生產園區，IP網絡的聯接范圍不斷擴大，聯接屬性持續增強。確定性IP網絡解決方案將加速工業網絡IP化的進程，通過打造IT/OT融合、IPv6一網到底的先進工業網絡，進一步提升生產過程的互聯互通能力，實現“數據上得來、算力下得去、上下游貫通”，充分發揮數據價值的優勢，助力更多企業推進數字化轉型。