基于IPv6的工业互联网技术、标准及其在智能制造的应用

1、引言近年来重邮工业物联网科研团队承担的IPv6工业互联网相关项目项目、课题名称（下达编号）项目来源项目时间工业互联网基于IPv6的网络互联标准研究与试验验证）（财建2017373号）国家智能制造标准化专项2017.07-2019.12基于IPv6的全互联制造网络技术（2015AA043801）国家863计划主题项目2015.04-2017.04基于IPv6的无线传感网的网络协议研发及验证（2012ZX03005002）国家科技重大专项2012.01-2013.12基于IPv6的RFID/条码打印终端智能工厂建设2018年工业互联网试点示范项目2018.01-2020.12IPv6-over-W

2、SN&TD-SCDMA产品开发（渝财企2010626号）重庆市信息产业发展资金资助项目2010.12-2011.12IPv6传感网(6LoWPAN)中的XMPP协议研究重庆市信息产业发展资金资助项目2011.12-2012.12面向6LoWPAN无线传感网的入侵检测技术研究 cstc2017jcyjAX0235重庆市基础科学与前沿技术研究项目2017.07-2019.06基于IPv6的工业互联网技术、产品及标准重庆市留学回国人员创业创新支持计划（优秀2017.12-2019.12面向IPv6无线传感网的入侵检测系统设计与实现赛尔网络下一代互联网技术创新项目2018.01-2019.12IPv6

3、工业确定性无线传感网络6TiSCH关键技术研究赛尔网络下一代互联网技术创新项目2019.12-2020.12基于IPv6的工业物联网多协议网关关键技术开发与验证赛尔网络下一代互联网技术创新项目2019.12-2020.12基于边缘计算的IPv6工业互联网设备接入管理技术研究赛尔网络下一代互联网技术创新项目2019.12-2020.12基于IPv6的无线抄表应用项目横向2015.12-2016.12基于802.11的IPv6无线传感网节点开发项目合作协议横向2014.1-2015.12基于IPV6的遥信、遥测、遥控模块开发合作协议横向2014.10-2016.9OICT学院目录OICT学院OIC

4、T学院OICT学院01IP 与工业互联网OICT学院OICT学院OICT学院智慧城市IP 与工业互联网AI+医疗地址的需求迅速增长OICT学院OICT学院OICT学院IP 与工业互联网国内政策推进互联网协 议第六版（IPv6） 规模部署行动计划2017年11月2018年5月工业和信息化部关于贯彻落实推进互联网协议第六版（ IPv6 ） 规 模部署行动计划的通 知2019年4关于开展2019 年IPv6网络就绪专 项行动的通知工业和信息化部关于开展2020 年IPv6 端到端 贯通能力提升专项行动 的通知2020年3月OICT学院OICT学院OICT学院德国：截止到2017年底，德 国国内IPv

5、6用户占比达到 42.99%，位居全球第三。IP 与工业互联网国际形势美国： 前期发布政府IPv6 应用指南/ 规划路线图，目前IPv6部署率超过50%日本：2018年6月发布日本制造业白皮书（ 2018 ）， 日本运营商KDDI的IPv6部署率已达50%左右英国：工业发展背景下， 2013年9月英国申请的IPv6地 址占总申请数量的11.4%。法国：2015年提出“未来 工业”计划推动IPv6建设。OICT学院OICT学院OICT学院IP 与工业互联网全球互联网的成功已 经证明了IP端到端通信 架构的可扩展性、稳 定性和有效性。物联网最大的瓶颈就是IP地址缺乏！Ref: IIC_PUB_G5

6、_V1.0_PB_20180228, The Industrial Internet of Things Volume G5: Connectivity FrameworkOICT学院OICT学院OICT学院HSE客户端Internet/Intranet移动监控车间控制层调度管理层 经营计划层现场设备层冗余I/O模块FFEPA I/OEPA EPASWITCH冗余数据 库服务器文件 服务器Web服务器冗余实时 服务器监控 工作站12TCP/IP工业无线通信冗余MODBUS CANPADP工业无线测控 网络监控 管理站电力系统手机监控软件画面管理画面：主接线 首页 前进 后退 刷新控制网络分级结

7、构传统控制系统采用分层结构，无法实现底层物联网到互联网的无缝集成。IP 与 工业互联网OICT学院OICT学院OICT学院02国内外标准化情况OICT学院OICT学院OICT学院IETFRouting AreaInternet Area6LoROLLApplications AreaCoRENTP.MPLS.YAM.国内外标准分析OICT学院OICT学院OICT学院国内外标准分析在研的无线网络信息技术 系统间远程通信和信息交换 基于接入要求（）信息技术 系统间远程通信和信息交换 基于的网络联）网络的工业确定性网络协议规范合调度规范 （信息技术 基于（）已发布信息技术传感器网络第部 分：通信与信

8、息交换：基于的 无线传感器网络网络层规范信息技术传感器网络第部 分：测试：基于的无线传感器 网络网络层协议一致性测试OICT学院OICT学院OICT学院03基于IPv6的工业互联网关键技术OICT学院OICT学院OICT学院IPv6工业互联网架构基于IPv6的工业骨干网R传 输 层应 用 层安 全 要 求基 于OPC地UA址的分信配息和纵管向理集要成求 要求工业有线网工业无线网网 络 接 入 层基础技术 支撑体系R路由器 工厂外网络符合6TiSCH（RFC 8180）的网络符合WIA-PA(GB/T 26790)、WirelessHART（GB/T 29910）、ISA100.11a(IEC

9、62734)等的网络交换机/工业 SDN交换机/ 路由器.IPv6边界网关工业以太网/现场总线终端无线终端交换机/工业SDN交换机无线路由器 有线链路 无线链路SDSADA基于IPv6的互联网RSDA应用程序服务器路由器主机安全管理服务器数据管理服务器地址管理服务器图例工厂内网络工业交换机OICT学院OICT学院OICT学院04基于IPv6的工业互联网 研发与应用OICT学院OICT学院OICT学院项目组核心团队在国家科技重大与项“基于IPv6的无线传感器网的网络协议研发及验证”、国家863计划先进制造 领域与题项目“基于IPv6的全互联制造网络技术”、国家智能制造标准化与项支持下，研制了基于

10、IPv6的物联网协议 栈软件（6LoWSN），开发了支持IPv6的多功能物联网设备开发平台，主要技术点均具有良好的技术积累，核心技术 形成了与利保护群。多功能物联网（IoT）设备开发平台IPv6金牌国际认证基于IPv6的工业互联网系统开发OICT学院OICT学院OICT学院基于IPv6的工业互联网系统开发重庆邮电大学科研团队以给每一个物件一个IP为目标研制出具有自主知识产权的低功耗轻量级IPv6协议栈，协议栈(6LoWSN)通过国际认证（IPv6 Ready金牌认证）OICT学院OICT学院OICT学院基于IPv6的工业互联网系统开发研制出IPv6无线传感器网络软硬件开发平台，开发了系列支持I

11、EEE 802.15.4和IEEE 802.11的IPv6无线传感器网节点OICT学院OICT学院OICT学院基于IPv6的工业互联网系统开发开发了低功耗、小开销、轻量级安全通信协议栈，研制出可信物 联网安全系统开发平台OICT学院OICT学院OICT学院基于IPv6的工业互联网系统开发研制的多协议异构集成网关，实现了多协议异构无线传感器网 不多种通信网的无缝连接。双栈网络设备与6LoWSN子网互通 示意图OICT学院OICT学院OICT学院基于6LoWPAN的资源受限型实验网络基于IPv6的资源富裕型实验网络基于IPv6的工业互联网系统开发OICT学院OICT学院OICT学院协议软件TR06

12、9协议软件IPv6协议软件XMPP协议软件HTTP解析和构造模块SOAP解析和构造模块RPC方法模块TCP/IP模块参 数 配 置 接 口 模 块报 文 处 理 与 传 输 模 块设备入网资源管理设备管理( 设备管理 )状态机dmapFSMAdpFSM（适配层状态机）MacFSM（IEEE802.15.4MAC层状态机）Mac帧的形成数据管理AplFSM（应用层状态机）用户应用进程设备管理应用进程TlFSM（传输层状态机）UDP协议建立UDP连接ApsFSM（应用支持子层状态机）通信服务快捷方式机制对象关系建立功能NwkFSM（网络层状态机）ICMPv6协议IPv6路由邻居发现网络资源分配 公

13、网地址配置分片与重组 报文压缩与解压 地址配置RPL路由确定性调度组网PhyFSM（IEEE802.15.4物理层状态机）能量检测功率控制 CSMA-CA信道切换信道评估(CCA)XMPP报文构造模块XMPP报文解析模块数据通信模块协议处理模块TCP连接模块即时聊天 文本信息出席信息登录认证 信息流信息SASL认证信息资源绑定信息会话建立信息服务器原地址 客户端地址 OPC UA协议握手确认消息握手确认 消息协议 分析握手确认消息载荷信息共享软件OPC UA服务组件基于IPv6的全互联制造网络中的应用OICT学院OICT学院OICT学院现场层、MES、ERP一体化信息集成工具CPS/MES多源

14、信息智能适配器；支持全互联制造网络传输技术的MES/ERP适配软件，包括XML解析器、XML构造器、XMPP/TR069适配器等， 打通上层MES/ERP与底层智能设备的XML信息交换通道。服务功能管理安全传输管理信 息 源 访 问 器多 协 议 接 入算法管理事件管理连接管理消 息 监 听 分 发注册中心适配器框架MES系统适配器解析器应用服务服务器MES数据库订阅/发布MES系统消息基于事件驱动 的信息交互支持车间多源信息 智能提取的适配器Message Box (schema 模板库)订阅ERP业务流程XML DOM解析器信息解析器SOAPSOAPSOAPSOAPSOAPSOAP可配置解

15、析环境ERP系统订单信息工艺信息质量信息库存信息基于IPv6的全互联制造网络中的应用OICT学院OICT学院OICT学院工业互联网络设备与全互联仪表面向全互联制造网络的三种类型网关设备，包括WIFI型边界网关、以太网型边界网关和3G/LTE型边界网关。支持全互联制造网络的典型现场仪表（流量仪表和温度变送器）。立式智能流量仪卧式智能流量仪挂壁式智能流量仪全互联温度变送器基于IPv6的全互联制造网络中的应用OICT学院OICT学院OICT学院全互联实验网络搭建了规模达到百点的全互联制造网络实验网，包括5种类型：基于6LoWPAN的资源受限型网络（2种）、基于IPv6 的资源富裕型网络、传统不支持I

16、P技术的现场网络接入全互联实验网络、传统支持IP技术的现场网络接入全互联实验 网络等。6LoWPAN（基于XMPP/TR069和基于OPC的两种网络）IPv6 wifi网WIA-PA网络Modbus网络（以太网）资源受限型全互联网络资源富裕型全互联网络传统不支持IP的网络传统支持IP的网络边界网关边界网关边界网关边界网关WIA-PA/全互联Modbus/全互联适配器适配器现场控制器全互联信息共享平台/设备MESERPTR069服务器现场级基于IPv6的全互联制造网络中的应用OICT学院OICT学院OICT学院基于IPv6的全互联制造网络中的应用技术成果课题在某集团公司实施了跨工厂范围的应用验证

17、，部署了覆盖面积超过10平方公里的基于 IPv6全互联制造网络的能源管控网络。管控中心后台服务器4G网关1#高炉光 纤转换器电子公司 交换机以太网 网关1#干熄焦 光纤转换器转换器原料厂光纤 中央水处理光纤转换器热轧薄板厂 光纤转换器流 量 计流 量 计三 相 费 控 智 能 电 表智 能 断 路 器COCC1120粉传 尘感、 器 温（ 湿 度、）无 线以 太 网Modbus信息服 Modbus信息服 Modbus信息 务适配器务适配器服务适配器三 相 费 控 智 能 电 表三 相 费 控 智 能 电 表光 纤光 纤光 纤光 纤光 纤光 纤4G网关 晏家办公楼交换机三 相 费 控 智 能 电

18、 表光 纤COCY2420粉传 尘感、 器 温（ 湿 度、）COCC1120粉传 尘感、 器 温（ 湿 度、）COCY2420粉传 尘感、 器 温（ 湿 度、）CC1120危温 岩湿 体度（ 位、 移粉、 尘 风传） 速感、 器晏家办公楼 交换机WIFI型边界网关 WIA-PA适配器 以太网网关以太网网关 WIA-PA适配器 WIA-PA适配器光 纤五 个 电 能 表OICT学院OICT学院OICT学院基于IPv6的工业互联网中的应用重庆邮电大学搭建了面向基于IPv6工业互联网的验证平台平台1：基于IPv6的工业物联网系统平台2：工业机器人实验平台（重邮）平台3：手机产品测试装配柔性自动化生产

19、线（重邮）WirelseeHART 节点设备WirelessHART 网关设备WirelseeHART 中间设备OICT学院OICT学院OICT学院重庆品胜水星科技大厦企业总部全生命周 期服务器ERPPLM远程运维监控中心 客户服务平台企业总部IPv6网络IPv6/IPv4IPv4/IPv6互联网基于IPv6的RFID打印机终端远程运维IPv6/IPv4IPv4/IPv6双栈路由器 支 持 IPv6 的防火墙EAD硬件 结构开发 DFX工程 开发平台平台设计平台面向智能制造的IPv6数字化 协同设计平台IPv6/IPv4 双栈RFID 打印机IPv6/IPv4 双栈RFID 打印机工厂IIPP

20、vv66内网电路板制作车间贴片车间自动测试生产线智能仓储系统协同制造工厂(盟讯公司)MESWMSIPv6/IPv4 双栈路由器支持IPv6的防火墙ERPPLMIPv6信息服 务适配器IPv6IPv6IPv6IPv6工业现场 总线工业现场 总线工业现场 总线工业现场 总线IPv6信息服 务适配器IPv6信息服 务适配器IPv6信息服 务适配器工厂内部IPv6网络IPv6信息 适配器MESWMSIPv6/IPv4双栈路由器支持IPv6的防火墙重庆品胜水土镇 数字化工厂基于IPv6的RFID打印机 数字化组装车间基于IPv6的RFID标签 盒数字化组装车间基于IPv6整机自动 测试生产线基于IPv6

21、的 智能仓储系统工业现 场总线工业交换机工业交换机工业交换机工业交换机IPv6信息 适配器工业现 场总线IPv6信息 适配器工业现 场总线IPv6信息 适配器工业现 场总线IPv6IPv6IPv6IPv6基于IPv6的RFID /条码打印终端智能工厂任务一面向智能制造的IPv6数字化 协同设计平台任务二基于IPv6的数字化 生产车间(品胜公司)任务四 基于IPv6的 数字化工厂 信息管理系统任务五 基于IPv6的RFID/条码打印机 远程运维服务平台产 品 模 块 化 开发 平 台产 品 特 性 反 馈设 计 平 台产 品 仿 真 与 验证 平 台R F I D打 印 机 数R仓F储I自D 动

22、 绿打 管 色印 理 制盒 及 造数 物 环字 字 料 境 化 化 配 建生 生 送 设 产 产 系车 车 统间 间PLMERPMESWMS互 联 网 平 台 远 程运 维 服 务互 联 网 平 台 销 售与 客 户 服 务任务三基于IPv6的数字化 协同制造工厂(盟讯公司)RR仓FF储II自D D 动 绿 打 打 管 色 印 印 理 制机 机 及 造 电 电 物 环路 路 料 境 板 板 配 建 生 测 送 设 产 试 系车 车 统间 间基于IPv6的产品全生命周期管理RFID /条码打印终端全生命周期入选2018年工业互联网试点示范项目基于IPv6的工业互联网中的应用OICT学院OICT学

23、院OICT学院05重庆邮电大学在工业互联网领域的其他工作OICT学院OICT学院OICT学院=31=重庆邮电大学在工业互联网领域的其他工作承担国家级项目33项、省部级项目51项，科研总经费超亿元。以学校为牵头单位、实验室核心成员为项目负责人承担了一批国家重大 科研项目：序号项目国拨经费/万元项目 负责人1国家科技重大专项项目基于IPv6的无线传感器网的网络协议研发及验证（2012ZX03005002)885王平面向工业无线网络协议WIA-PA 的网络设备研发及应用(2013ZX03005005)1457王恒2高实时WIA-PA网络片上系统(SoC)研发与示范应用 (2015ZX0303011)

24、1689王平34国家863计划主题项目全互联制造网络技术(2015AA043800)1435王恒5国家智能制造专项2017年项目工业互联网基于IPv6的网络互联标准研究与试验验证 (财建2017373号)1920王平62018年工业互联网创新发展工程 项目时间敏感网络关键技术标准研究与试验验证（财建2018281号）675王浩7国家重点研发计划项目(中韩政 府间合作项目)基于工业物联网和信息物理融合的机器人数字化车间智能制造关 键技术研发及其应用示范（2017YFE0123000）733魏旻82018年工业互联网试点示范项目基于IPv6的RFID/条码打印终端智能工厂建设(工信厅信管函2018

25、410号)王平OICT学院OICT学院OICT学院=32=架近年来，取得了一批具有重要影响的科研成果，拥有国际认可的核心技术，并初步形成了专利保护群。国家级科技奖励2项，省部级科技成果一等奖3项、二等奖7项 ；获得发明专利授权78项； 其中，PCT专利6项、美国发明专利授权1项SCI/EI检索219篇；其中，SCI一区30余篇（HCP 4篇，ESI Top 0.1 1篇）出版专著教材14部。其中，国家科学技术学术著作出版基金资助1部研制了全球首款工业物联网核心芯片渝芯一号(腾飞)牵头制定国际标准ISO/IEC 19637Sensor network testing framework牵头制定国

26、际标准ISO/IEC 21823-2Internet of Things (IoT) - Interoperability for Internet of Things Systems Part 2: Transport Interoperability牵头制定国际标准ISO/IEC TR 30148 Internet of ThingsTechnical Requirements and Application of Sensor Networks for Wireless Gas Meters国际标准召集人ISO/IEC JCT1 WG10 SRG2/SRG8/SRG10 网络层/组网架构

27、/安全组网国际标准联合编辑-ISO/IEC 29180/ITU-T Rec X.1311传感器网络安全架构ISO/IEC 21823-1 物联网系统互操作性 第一部分 框工业无线领域三大主流国际标准-“WIA-PA标准”获中国标准创新贡献一等奖开发了通过国际金牌认证的自主IPv6传感网协议栈软件-6LoWSN32重庆邮电大学在工业互联网领域的其他工作OICT学院OICT学院OICT学院=33=重庆邮电大学在工业互联网领域的其他工作拥有一批优势技术突破了自适应跳信道、精确时间同步、传感网安全等关键技术，核心技术正在形成与利池，相关研究成果得到了国际上的广泛认可，在业界形成了较突出的技术优势。优势

28、技术一：牵头制定传感器网络测试国际标ISO/IEC 19637 Sensor network testing framework，开发了集协议符合性测试、网络 拓扑分析、标识解析、安全测测不风险评估等功能于一体的无线传感器网络综合测试系统，中国电子技术标准化研究院采购用于第三方 测试。优势技术二：作为核心成员参加制定的中国WIA-PA标准成为国际三大主流标准之一（IEC 62601），率先开发了支持双网关冗余、网络 管理、确定性调度、精确时间同步等功能的WIA-PA协议栈软件，获2013年中国标准创新贡献奖一等奖。优势技术三：物联网安全国际标准ISO/IEC 29180/ITU-T Rec X

29、.1311的合作编辑，开发了轻量级传感网安全通信协议栈，研制了可信物联网安全系统，相关技术在多项国际国内标准中体现；优势技术四：主导工业无线传感网融合标准不技术，突破了精确时间同步、确定性调度、自适应节能、自适应跳信道、网络安全等技术瓶 颈，获得30余项发明与利授权（1项国际与利授权） ，不率先推出了全球首款支持三大工业无线国际标准的工业无线核心芯片渝芯一号。OICT学院OICT学院OICT学院=34=拥有一批优势技术优势技术亓：面向工业应用需求率先改进了6LoWPAN协议，自主开发了6LoWSN协议栈软件（6LoWSN协议栈软件通 过了国际金牌认证) ，研制了WSN/3G两网融合系统 ，实现

30、端到端全IPv6通信,正在牵头制定国际标准ISO/IEC 21823- 2 物联网系统互操作性 第3部分 网络连通性：2017中国标准化“最受关注”标准优势技术六：优化XMPP协议，支持聊天方式对传感网进行远程操控，解决了丌同协议异构传感网互操作难题，向IETF提交的1项提案引起极大关注 。优势技术七：优化TR069协议，支持轻量级网络管理协议的CPE不物联网节点间的管理信息交互，解决了从互联网对现场物联网设备的管理难题。优势技术八：主研了中国工业自劢化领域第一个国际标准EPA标准， EPA工业以太网系列核心关键技术形成了与利群， 获2008年中国标准创新贡献奖一等奖。重庆邮电大学在工业互联网

31、领域的其他工作OICT学院OICT学院OICT学院=35=技术优势九：形成“以边界网关为桥梁的全网统一设备描述XML、统一即时通信XPP、统一资源管理TR069不统一地址编码IPv6”全互联制造网 络总体架构，通过IPv6实现网络的互联互通、通过OPC UA实现信息的互联互懂，达到每个物件都“可寻址、可通信、可控制”的目标。重庆邮电大学在工业互联网领域的其他工作IPv6+OPC UAOICT学院OICT学院OICT学院=36=对象物理量、本体物性参数云计算服务边缘控制器异构网络融合智能互联边缘计算仪器仪表服务接口效能提升资源虚拟资源分配任务调度安全机制设备域典型 场景石油化工冶金精细化工煤化工

32、造纸计算模型计算策略应用域网络域数据域计算迁移模型简约目标分解循环重构可视化 数据描述语义分析 关联分析 数据融合 数据压缩 特征发现 智能决策数据 分发数据 服务数据服务策略 执行可视化处 理 服 务仪表边缘侧计算资源存存存储储储CPU网网络络统计分析模型自学习模型循环重构计算 迁移云计算资源DSPASICFPGA聚合 解析分类模型回归模型事件处理模型.资源管理事件实例语义推理目标分解计算迁移聚合解析规则库限制条件约束要求数据处理任务调度数据库任务 队列 管理边云协 同处理物 理 域 数 据信 息 域 数 据对象状态事件信息管理数据安全策略操作序列工艺业务边缘计算架构边缘侧ECSaaSECPaaS分析决策分布式智能/推理数据采集与分析EClaaS边缘侧基础设施云服务SaaSPaaS业务编排集中式训练数据分析laaS云基础设施循环重构计