网络控制系统定义与现状如何？

目前，“网络控制”的含义有两种解释：一种是对网络的控 制（control of network）；另一种是通过网络实施的控制（control through network）。下面阐述的 TSN 网络控制系统的定义属于第一种，即对 TSN 的网络控制。

一、网络控制系统定义

TSN 的网络控制包括 TSN 网络资源管理和控制，流量调度参数生成与配 置，网络运维与监控。 网络资源管理和控制是指对 TSN 网络中的网关，TSN 交换机，普 通交换机，网卡，防火墙，接入设备等物理资源进行一定程度的纳管， 具备网络设备发现，网络连通性探测的功能。支持纯TSN网络，TSN网 络和普通以太网混合组网模式下的管控，能自主学习，构建交换设备转 发表。

流量调度参数生成与配置是指根据业务或用户需求构建传输路径，生成门控列表并下发配置到TSN交换机。门控列表生成依赖于具体的流 量调度算法，其算法复杂度主要由TSN网络规模、网络拓扑、流量规模 和流量的异构性特征决定，在大多数情况下是时间复杂度 NP 问题，一 般采用专门求解器生成或者采用启发式算法进行求解。门控生成算法一 般内嵌在 TSN网络控制系统内部，构成控制系统计算引擎，也可以独立 于控制系统存在，由控制系统采用调用的方式使用。

网络运维与监控是 TSN 控制系统对 TSN 网络工作过程的运行与维 护，主要是针对异常进行告警，对故障进行数据保护和系统恢复。实时 收集 TSN 网络系统的带宽等资源状态，给出业务时延、抖动等性能指 标，并支持可视化操作。

TSN网络控制系统的主要作用是建立确定性的以太网络，助力工业 互联网数字化提升。TSN 网络控制系统在对传统以太网络控制的基础上， 还深入融合各个工业场景的工业网络信息传输需求，建立一套既通用又 面向垂直行业应用的网络管理系统。如在工厂内网，基于 Profinet， Ethercat 等协议的工业通讯协议都有被 TSN 替代的可能性，并使得工业 OT 和 IT 的融合成为可能。在汽车领域，TSN 基于高带宽以太网支持车 内信息融合传输，减少布线。

二、网络控制系统现状

1．传统网络控制系统现状

SDN 的架构中，控制器可以说是 SDN 的核心。它是连接底层交互 设备与上层应用桥梁。一方面，控制器通过南向接口协议对底层网络交 换设备进行集中管理，状态监测、转发决策以及处理和调度数据平面的 流量；另一方面，控制器通过北向接口向上层应用开放多个层次的可编 程能力，允许网络用户根据特定的应用场景灵活地制定各种网络策略。

随着移动设备的不断普及，OTT 服务和内容分发的兴起导致服务 提供商网络迫切的需要一次网络变革。为了应对日益增长的带宽需求， 服务提供商希望网络可以更加敏捷高效，且能从创新型服务和新型业务 模式中分一杯羹得到更好的发展，至此 SDN 的呼声越来越高。而 SDN 中控制器占重要部分，是兵家必争之地，Openflow 是使用比较广泛的 SDN控制器使用的南向通信协议，随着 Open daylight和 ONOS 的出现， SDN 控制器的架构及所支持的南向、北向通信协议日益丰富。

1.1 Open Daylight 控制器技术现状

Open Daylight 项目的发展目标在于推出一个通用的 SDN 控制平台、 网络操作系统，从而管理不同的网络设备，正如 Linux 和 Windows 等操 作系统可以在不同的底层设备上运行一样。Open Daylight 支持多种南向 协议，是一个广义的 SDN 控制平台。架构如图所示,可分为南向接口层、 控制平面层、北向接口层和网络应用层。南向接口层中包含了如 Open Flow、 NET-CONF 和 SNMP 等多种南向协议的实现。控制平面层是 Open Daylight 的核心，包括 MD-SALI、基础的网络功能模块、网络服 务和网络抽象等模块，其中MD-SAL是Open Daylight最具特色的设计， 也是 Open Daylight架构中最重要的核心模块。无论是南向模块还是北向 模块，或者其他模块，都需要在 MD-SAL 中注册才能正常工作。MDSAL 也是逻辑上的信息容器，是 Open Daylight 控制器的管理中心，负 责数据存储、请求路由、消息的订阅和发布等内容北向接口层包含了开 放的 REST API 接口及 AAA 认证部分。应用层是基于 Open Daylight 北 向接口层的接口所开发出的应用集合。

此外，Open Daylight 还正在大力开展 NFV 的研发。正如之前提到 的，Open Daylight 不仅仅是一个 SDN 控制器，Open Daylight 是一个网 络操作系统。除了 SDN 控制器的基础功能以外，还包括 NFV 等其他应 用服务，可见其旨在打造一个通用的 SDN 操作系统。

1.2 ONOS 控制器技术现状

Open Daylight 是由设备商主导的一个开源控制器，虽然打着开放的 旗号，但是 Open Daylight一直排斥基于开放的协议方案，而是想采用折 中的方案，即以开放专用接口的方式保留传统设备，采取以退为进的方 式 维 护 自 己 的 利 益 。 于 是 ， 运 营 商 推 出 了 开 放 网 络 操 作 系 统 ONOS(Open Network Operating System)。ONOS 是一款同样采用 Java 语 言编写，采用 OSGi 架构，同样分布式的控制平台产品。其目标是打造 一个开放的 SDN 网络操作系统，市场定位在运行商级别网络市场。

ONOS 是首款开源的 SDN 网络操作系统，主要面向服务提供商和 企业骨干网。ONOS 的设计宗旨是满足网络需求实现可靠性强、性能好、 灵活度高。此外，ONOS 的北向接口抽象层和 API 支持简单的应用开发， 而通过南向接口抽象层和接口则可以管控 OpenFlow 或者传统设备。目 前 ONOS 在全球的部署基本都在教育和科研网络，主要部署的应用是 SDN-IP，在天津联通有部署 ONOS 第一个商用局点敏捷 VPN，另外欧 洲的 GEANT 和 Aarnet 在没有厂商参与的情况下基于 ONOS 开发了适用 于自己的 SDX-L2/L3 和 Castor 应用并部署，意义重大。

2．工业网络控制系统/工业组态软件现状

组态软件起源于集散控制系统（Distributed Control System，简称 DCS），发展壮大于可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller， 简称 PLC）。

目前国外的组态软件有将近一百多种，在国际上比较有名的组态软 件有 Wonderware 公司的 Intouch、美国通用汽车公司的 implicity、德国 西门子公司的 Wincc和以色列的 WizCo 等，国外的组态软件长期占领市 场的大部分份额。监控组态软件在 DCS 操作站软件中所占比重日益提 高。继 FOXBORO 之后，Euro therm（欧陆）、Delta V、PCS7 等 DCS 系统纷纷使用通用监控组态软件作为操作站。在 20 世纪 80 年代末，国外的一些组态软件开始进入中国市场。进入之初，国内市场没有很好的 理解组态软件的重要作用。到 20 世纪 90 年代的时候，国人越来越意识 到组态软件的作用，慢慢改变了对组态软件的观念。目前我国的组态软 件主要以中低端市场为主，随着国内技术的发展，我国组态软件在一定 程度上占领了一定的高端市场，但是由于国内软件的不稳定性和产品的 发展、通用性等原因，很多客户往往会选择国外的高端产品。

从国内自动化行业学术期刊来看，以组态软件及与其密切相关的新 技术为核心的研究课题呈上升趋势，众多研究人员的存在，是组态软件 技术发展及创新的重要活跃因素，也一定能够积累很多技术成果。从软 件规模上看，大多数监控组态软件的代码规模超过 100 万行，已经不属 于小型软件的范畴了。从其功能来看，数据的加工与处理、数据管理、 统计分析等功能越来越强。

3．TSN 网络控制系统现状

TSN技术提供确定性传输的特性可被广泛应用于工厂内网等场景， 拓扑变化、新设备接入、新业务流量需求部署所需的快速响应能力是当 前线下仿真、配置的TSN网络所不具备的，并随着网络规模的扩大所带 来的线下工作量也是巨大的。同样随着工业互联网的发展，不论是工厂 内部两级三层架构，还是工厂之间局域互联，传统的网络架构已经不能 满足智能化的需要。面向未来工业互联网网络互联互通、动态扩展的需 求，时间敏感网络控制系统应具备灵活、开放、高效、全局管控等特征。

工业互联网时间敏感网络控制器的功能架构可以遵循 SDN 技术思 路，IEEE 802.1Qcc 中定义的时间敏感网络的配置模型分为全集中式配 置模型、混合式配置模型以及全分布式配置模型三种：全集中式配置模 型 ， 使 用 集 中 式 网 络 配 置 控 制 器 （ CNC ， Centralized NetworkConfiguration controller）与集中式用户配置控制器（CUC ，Centralized User Configuration）；混合式配置模型，使用集中式网络配置控制器与 分布式用户配置控制器；全分布式配置模型，使用分布式网络配置控制 器。其中集中式架构与 SDN 的思想较为接近。

Talker、Listener 分别是数据流的发送方和接收方，即工业设 备或者应用系统；Bridge 可以是不同形态的二层桥接设备，如工业交换 机、具有二层交换网口的工业设备；集中式网络配置控制器（CNC）与 集中式用户配置控制器(CUC)可作为软件功能模块融合部署于专用服务 器上，也可以采用嵌入式系统，集中式配置模型的控制面工作流程如下： 新增数据流时，CUC 代表 Talker、Listener 将用户需求信息告知 CNC；CNC 根据获得的信息，进 行相应的运算，并将得到的网络配置参数分别下发给网络中相关的各个 Bridge。从学术界、产业界角度，当前基于 SDN 的 TSN 控制器技术现状如下：

（一）思科 CNC

思科按 IEEE 802.1Qcc 标准的集中式架构模型开发商用的集中式网 络控制产品。

思科 CNC 模块实现对 TSN 转发层面的配置管理，CNC 提供北向的 REST API，提供应用层面的调用，其内置 WEBUI，提供可视化的配置 和管理界面，通过 REST API 和 CNC 进行交互，配置的拓扑和流量需求 在 CNC 内部进行保存和计算，CNC 具有全局的视图，以及全局的配置 需求，在控制层面进行计算和调度，自动下发配置，简化了静态配置的 繁琐。CUC 应用层面可以运行 OPC UA 传输协议并通过 REST API 下发 到 CUC 中。CNC 和 TSN 交换机之间直接交互，TSN 交换机中运行 IOX 的容器组件，该容器组件作为转发层面的 agent 代理，该模块作为中间 层，负责和 TSN 核心 IOS 模块以及 CNC 直接交互，CNC 和 agent 之间 通过 telnet 使用用户名和密码进行登录和操作，IOS 目前并不支持标准 的 NETCONF 和 OPENFLOW 协议。

（二）TTTECH Slate XNS

TTTECH 公司的 Slate XNS 是一种 TSN 纳管产品方案，基于浏览器 拓扑模型的 TSN网络调度器（TSN Network Scheduler with Browser-based Topology Modeling）

Slate XNS 是基于浏览器的，具有友好界面，能方便构建 TSN 网络 拓扑并创建调度和部署的平台。通过 GUI 提供的拓扑视图、图表编辑器 管理设备和流量，一键式触发调度计算，并通过标准、开放的YANG模 型下发配置。可以看出，图形和图标化的拓扑及流量配置，一键式自动 化的配置下发以及标准 YANG 模型下发，这些和思科 CNC 具有相同的 功能，只是提供了更加标准的南向配置协议。TTTECH 公司关注点同样 在于直观的视图感受，自动化的配置以及提供增量的业务模式，通过全 局的网络拓扑和流量配置，在全局层面上进行计算和配置，可以轻松的 实现这样的设定。

上述为产业界对 TSN 和 SDN 融合技术的方案研究，下面对国内外 的一些科研机构的研究活动进行研究。

（三）萨克雷大学 NEON

法国的萨克雷大学提出在工业或者车载领域，对 TSN 网络复杂性 配置的研究是个热门的领域，新增一个器件或者流量需求需要大量的配 置操作，并且需要仿真工具和线下配置来完成，传统的静态和手动配置 方式已经不再适用。认为 SDN 是解决这个问题的研究方向，SDN 在保 证服务 OQS 质量上是有效的，甚至在一个变化的拓扑环境中。

控制 器提供北向接口同 service交互，并通过南向接口协议下发配置。文章基 于 NEON 这样的软件平台去开发控制器。在图 1-6 所示的逻辑模型中， ConfigTSN 模块完成配置数据的生成，初始状态有个配置文件，包括名 称和 UUID 的映射关系，以及初始配置的文件，在设备初次接入时，读 取配置文件下发配置，后面由事件触发，新设备接入、新流量需求等， ConfigTSN 计算生成配置数据，并通过 EthernetTSN 下发。EthernetTSN 模块是下发配置模块，屏蔽厂商差异化，基于 YANG 模型下发。 controller 模块主要负责感知转发层面，作为中继模块协调 ConfigTSN、 EthernetTSN 以及设备的运行。可以看出，ConfigTTSN 作为配置调度模 块，EthernetTSN 作为南向配置模块，controller 感知及中继调度模块， 实现整个系统的运行。

（四）奥斯特法利亚科技应用大学

TSSDN 奥斯特法利亚科技应用大学针对工业网络和 5G 结合时，分别管理 TSN fronthaul 网络和 5G 核心网问题，提出一套基于 SDN 的统一管理方 案 TSSDN，通过 TSSDN 统一管理 TSN fronthaul 网络和 5G 核心网络，包含全局的拓扑管理、路径规划管理、以及策 略管理，其中TSN和5G核心网在控制层面分别通过CNC和SDN管理。 控制层面具有全局的拓扑和规划调度，TSN 和 5G 核心网的控制仍然是 独立的控制通道，对工业网络中 Fronthaul 网络和 5G 核心网配置分离的 问题，提出了 TSN 和 5G 核心网统一的配置管理平台，该平台具有全局 视角，包含全局网络拓扑，全局的路径规划和配置，控制器内部 TSN和 5G 核心网部分仍然是相对的独立的配置通道，各部分采用独立的机制 实现，最终通过 Floodlight 云平台实现功能落地。