SDN虚拟化实现工业4.0中PON系统与TSN的无缝集成

论文标题：SDN Virtualization for Seamless Integration of PON Systems in Industry 4.0 TSN

作者信息：Fuad M. Abinader Jr., Julia A. Sousa Maciel, Luis G. Maciel Riveros, Maykon R. Pereira da Silva，来自Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações (CPQD)，Campinas, Brazil。电子邮件地址分别为：{fuad, jsousa, lriveros, mpsilva}@cpqd.com.br。

论文出处：2024 IEEE Conference on Network Function Virtualization and Software Defined Networks (NFV-SDN)。

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摘要： 工业4.0要求高效、自动化和互联的生产环境，这些环境由强大的工业网络支持，以实现实时通信和控制。将XG-PON与IEEE TSN集成面临重大挑战，因为存在标准上的差距。本文介绍了一种新的虚拟化SDN层，使XG-PON系统能够作为IEEE TSN桥接器运行。SDN层通过虚拟化控制器管理同步（IEEE 1588）、流量（IEEE 802.1Qbv/bu）和网络编排。通过扩展现有标准（ETSI F5G, ITU-T G.sup.PON）并解决互操作性问题，我们确保XG-PON在IEEE TSN网络中的无缝集成，通过动态配置、提高性能、减少供应商锁定和加快功能采用，促进工业4.0应用中的创新和效率。

引言： 工业4.0指的是高度高效、自动化和互联的生产网络，这些网络由网络物理系统、物联网、人工智能和云计算等智能制造技术支持。这些网络通过实现不同工业设备之间的无缝连接来促进创新，作为实时通信和控制的支柱。软件定义网络（SDN）通过提供动态和自动化的网络配置来支持工业4.0。SDN的分离控制平面允许集中管理和可编程性，这对于实现现代工业网络的敏捷性、可扩展性和效率至关重要。此外，SDN促进实时调整，提高性能并加速新技术的采用。专有工业网络标准的扩散导致了碎片化、互操作性挑战和供应商锁定，这些都是采用工业4.0技术的重大障碍。IEEE时间敏感网络（TSN）标准通过提供确定性以太网通信的统一框架来解决这些问题，确保低延迟、高可靠性和精确的时间同步。

相关工作和现有标准： 工业4.0将网络物理系统、物联网、大数据、人工智能和机器人技术等先进技术集成到制造业中，创建连接、高效和灵活的工业环境。这使得实时通信和协作成为可能，提高了生产率，降低了成本，提高了产品质量。工业网络是这一转型的基础，作为通信和集成的支柱，实现了高效和安全的真实时数据交换。它们确保传感器、执行器、控制器和监控系统以协调和精确的方式运行，满足工业4.0的性能和可靠性要求。IEEE TSN标准提供了一个统一的框架，用于确定性以太网通信。工业4.0对工业网络提出了新的要求，需要更大的灵活性、连通性和对智能设备的支持。物联网和人工智能等新兴技术改变了工业网络的设计和使用，提供了更大的效率、实时监控和预测性维护。TSN是一系列IEEE 802.1标准，确保了以太网网络上的确定性、低延迟数据传输，这对于工业自动化和服务应用至关重要。

解决方案提议： 本节提出了如何将PON系统集成到IEEE TSN环境中，解决了同步、流量管理、动态网络控制和实施考虑。TSN桥接控制器是一个SDN虚拟化层，它将PON系统抽象为TSN桥接器。它管理同步、流量调度和网络编排，确保PON系统遵循TSN标准，如IEEE 802.1Qbv（时间感知调度）、802.1Qav（基于信用的整形）和802.1AS（时间同步）。它还包括将ITU-T PON网络作为TSN桥接器实现的功能，如IEEE 802.1Qcp（配置和状态报告）、802.1Qcc（资源发现和预留）和802.1Qbv（流量管理），以及在PON网络边界的数据模型转换器。它利用PON切片、边缘计算能力和动态带宽分配（DBA）算法，确保符合TSN流量要求。TSN桥接控制器通过标准化的南向接口（SBI）如NETCONF/YANG与光系统控制代理接口。这种集成涉及将TSN配置文件转换为PON特定操作，利用适配器将TSN请求转换为SD-PON工作流。

结论和未来工作： 本文介绍了一种新的SDN虚拟化层，使GPON系统能够作为TSN桥接器运行，将PON系统集成到TSN网络中，以应用于工业4.0。当前PON-TSN集成在同步、流量管理、动态网络控制和互操作性方面面临挑战。我们的SDN虚拟化层通过增强同步机制、实施全面的流量管理策略、通过SDN和NFV原则启用动态网络控制，并促进标准集成来解决这些限制。利用和增强现有标准，如ETSI F5G和ITU-T G.sup.PON，我们的方法结合了IEEE 1588/gPTP同步、详细的TSN流量管理技术和动态网络管理的外部接口。我们的解决方案弥合了当前标准的差距，实现了动态配置、提高性能、减少供应商锁定和采用新功能。我们的贡献包括一个详细的将PON系统集成到TSN网络的方法论和一个确保高水平互操作性和性能的标准集成蓝图，这对于现代工业网络至关重要。尽管框架充满希望，我们没有提供来自模拟或现实世界实验的定量结果。我们需要探索现实用例，以完全验证故障管理和QoS保证机制、系统如何处理增加的网络负载或连接设备、在不同扩展条件下预期的性能限制（例如，连接的ONU的最大数量、支持的数据速率、延迟阈值）以及现实世界实施过程中可能遇到的瓶颈以及如何克服它们。为了评估所提出解决方案的有效性，未来的工作将通过以下方式进行实际验证：（a）使用SDN控制器（例如ONOS）和PON硬件或模拟器构建原型，以观察实际环境中的系统行为；（b）使用网络模拟器如NS-3模拟集成的PON-TSN架构，模拟工业场景以评估不同负载和配置下的性能指标，如延迟、抖动和吞吐量；（c）识别和测量对工业应用至关重要的关键性能指标（KPIs），包括同步精度、故障恢复时间、可扩展性和可靠性；（d）创建一个复制工业4.0环境的测试平台，包括通过所提出的架构连接的机器人臂、传感器和控制器等设备；以及（e）向ITU和IEEE等标准化组织提出开发的框架，以促进不断发展的行业标准，确保更广泛的采用和互操作性。通过解决这些限制并追求概述的未来工作，我们旨在验证我们提出的解决方案的实际适用性，并为研究社区提供有价值的实证数据。这不仅将加强PON系统与TSN网络的集成，还将支持强大、高性能的工业通信基础设施的发展。