工业物联网终端5G LAN组网方案研究

这篇摘要介绍了5G LAN技术在工业物联网中的应用，重点阐述了其在垂直行业中的需求和解决方案。5G LAN通过MAC地址直接选择，实现了端到端切片通信，解决了传统组网的复杂性和成本问题。摘要指出，工业物联网终端在5G LAN组网中需要支持多切片、多组网和优先级保障，以满足不同业务的需求。解决方案包括L2/L3数据混合转发和优先级保障技术，通过硬件交换和Linux内核处理实现高优先级业务的保障。摘要还通过油田客户案例展示了方案的有效性，证明了5G LAN在工业现场组网中的应用价值。

摘 要

随着网络侧技术的日趋成熟，5G LAN行业的示范应用不断涌现，这对商业化工业物联网5G终端提出了更高的要求。为了满足工业现场组网的规范要求，首先，我们分析了行业应用对工业物联网终端5G LAN组网的具体需求，然后提出了相应的解决方案。该方案的核心在于设计了一种包含L2/L3数据混合转发机制，并确保了转发优先级的保障。经过实践验证，该方案已在相关5G物联网终端产品中应用，成功解决了生产区与运维区域混合组网的问题。最后，我们展望了未来的研究方向。

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概 述

工信部印发《5G全连接工厂建设指南》，明确指出在十四五期间，将重点推动原材料、装备、消费品、电子等制造业各行业，以及采矿、港口、电力等重点行业领域的5G全连接工厂建设，支持 thousand家企业和 hundred个标杆工厂的打造，促进5G融合应用的深入发展。同时，鼓励企业综合利用5G等新型网络技术，在确保安全可靠的前提下，推动企业办公、生产管理、监控预警、工业控制和物联等工业网络的融合，加快IT-OT网络融合进程。如图1所示，典型工业IT、工业OT网络结构是。

图1 工厂典型网络结构

IT网络部署于工厂层级，主要服务于业务及企业管理职能，着重考虑数据处理速度、系统可靠性和安全性等问题。而OT网络则部署于车间级和现场级，承担自动化控制和监控功能，确保生产过程的正常运行，同时对稳定性和可靠性要求较高。为了实现工业网络的低成本目标，工业控制网络通常基于OSI七层参考模型框架进行一定程度的简化，如图2所示。

图2 IT网络与典型工业有线/无线网络的分层模型对比

从图2可以看出，IT网络与典型OT网络在网络分层模型上存在显著差异。仅采用粗放的网络互联方式来实现IT-OT网络的融合，可能会导致业务数据不通或出现异常。为实现现有工业OT网络的5G升级目标，OT网络的组网架构需要得到充分考虑。现有组网方案通常依赖于引入AR类企业路由器，利用L2 GRE、VxLAN等技术实现OT网络的5G转发，但该方案存在组网复杂度高、成本高昂的问题。一种新的组网方案是通过引入基于OSPF的三层架构，结合MPLS技术，实现OT网络的5G端到端通信，同时确保组网过程的高效性和可靠性。

随着5G技术的快速发展，5G LAN作为一种专为垂直行业设计的新型局域网技术应运而生。基于MAC地址的直接定位，二层数据通过5G技术实现通信。5G LAN系统支持组管理、流量转发、广播与多播复制等功能，通过将不同场景的终端进行分组或群组构建，实现虚拟或特定的局域网连接，从而支持终端间的高效数据传输［3-8］。从R16到R18版本的演进过程中，5G LAN的功能和性能持续优化升级，为垂直行业的IT–OT融合提供了新的技术方向，成为推动工业物联网创新发展的关键技术。

5G LAN的推出对5G大网、物联网终端、场景应用都带来了新的要求。基于5G大网的快速发展，智慧楼宇、工业制造、电力、集装箱码头等场景的应用验证了垂直行业应用的可行性［8-15］。针对物联网终端商用的组网方式，商用方面的探索相对较少。本文将从物联网终端商用应用的角度出发，深入分析和研究工业物联网终端的5G LAN组网解决方案。

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行业对工业物联网终端5G LAN组网需求

垂直行业（包括港口、油田、工厂等）广泛采用5G终端，主要得益于5G技术的显著优势，致力于实现产业升级和智能化转型。例如，电力行业[10]计划充分运用5G切片、5G LAN等5G特性，以实现具体目标。

a）利用5G切片实现不同安全级别生产区、管理区的物理或逻辑隔离。

b）基于5G LAN技术，能够实现部分业务（例如差动保护功能）的二层网络组网要求，即使这些业务可能分布在不同的“组别”，也能得到有效的支持。

c）确保不同业务的数据优先级及可靠性。

基于垂直业务需求的背景，行业客户对5G物联网终端的使用量较大，运维要求体现在保障5G工业物联网终端运维通道的高可用性上，以提升运维效率。基于前述分析，我们初步识别出支持5G LAN的工业物联网终端组网需求如下。

a）支持不同的业务根据需求使用不同的5G切片，即支持“多切片”功能。

b）支持不同的业务按需划分到不同的“组”，即支持“VN Group”功能。

c）确保业务的优先级和可靠性，同时保证运维通道的可用性。

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5G LAN工业网物联网终端组网方案设计

3.1 总体解决方案

针对行业应用对支持5G LAN物联网终端组网的场景提出了需求，本文提供了一个如图3所示的终端组网方案。基于该方案，5G物联网终端系统需要满足以下要求。

该系统具备多切片配置能力，通过与“端到端切片管理系统”的联动实现对无线网络侧的逻辑隔离或物理隔离。

b）支持PDP类型配置，当类型设置为IP时，该网络可支持运维数据传输；当类型设置为Ethernet时，该网络可采用5G LAN特性。

图3 支持5G LAN工业物联网终端组网解决方案

从图3可见，当触发终端5G拨号时，系统将创建多个5G WAN接口（包括但不限于5G WAN1、5G WAN2等）。每个WAN口将对应不同的业务需求，且该方案的核心在于5G终端内的L2/L3数据混合转发机制，能够有效保障数据传输优先级。

3.2 L2/L3数据混合转发关键技术方案

基于垂直行业业务场景的深入分析，工业物联网5G终端数据流其特点如下。

业务数据：涉及工厂OT领域，在不改变现有架构的前提下，大多数数据适合L2转发，而某些行业（如电力）需要将不同生产区的数据转发到不同的L2网络（如5G VN组）。对于这类数据，二层交换方案是合适的。

b）管理数据：在工厂IT领域，这类数据通常位于三层架构中。对于此类数据，推荐采用“三层路由转发”策略。

运维数据集同样涉及工业IT领域，主要用于解决5G物联网设备的运维挑战。一般情况下，设备厂商提供的运维接口基于网络通信协议设计。对于这类数据，推荐使用‘三层路由转发’方法。

针对上述数据特征，本文提出了一种基于图4所示架构的“L2/L3混合转发关键技术方案”。该系统支持灵活配置多个“桥”接口。当业务数据需通过5G LAN通道传输时，可将连接至工厂设备的LAN接口与PDP类型为“5G LAN”的对应5G WAN接口配置至同一网桥，从而实现端到端的二层转发。当业务数据采用常规IP传输方式时，可将连接至下游设备的LAN口配置至一个“桥”接口，并在系统中设置路由规则，以决定数据报文的下一跳5G WAN接口。通过灵活配置LAN侧网桥设备，可实现L2/L3数据的混合转发。

图4 L2/L3混合转发关键技术方案

3.3 L2/L3数据转发优先级保障关键技术方案

在工业物联网领域中，5G终端主要应用于设备监控、视频监控以及远程控制等场景。由于5G网络在常规模式下呈现出非对称的时隙分配特点，且5G终端的下行带宽显著高于上行带宽，因此在上行带宽资源较为受限的条件下，需要依据业务优先级进行业务保障。

工业物联网5G终端通常采用Linux操作系统。基于Linux内核的工作原理（如图5所示），数据包首先通过网卡进入二层交换处理，随后由Linux内核转发至相应的接口。要确保高优先级业务优先转发，系统的主要瓶颈在于硬件交换处理能力和CPU的数据转发处理能力。

图5 Linux内核运行原理

针对交换部分，目前常见的交换芯片，如裕泰微电子YT9215SC型号，均支持芯片级IEEE 802.1Q VLAN功能。通过基于端口、网络三元组和MAC地址等信息进行策略匹配，可以对业务进行优先级分类。为确保工业物联网5G终端的LAN侧上行运维通道持续可用，建议将该设备的交换端口优先级设置为最高级。其他业务可根据具体业务需求进行灵活配置，从而有效解决交换级的优先级保障问题。

针对CPU的“数据转发”操作，针对运维程序，需要调整Linux系统进程的优先级，以确保其能够正常响应。对于其他需要进行数据转发的项目（如生厂区和管理区的数据），可以利用LinuxTC工具对数据包进行QoS处理，根据MAC地址、IP地址等信息对数据包进行分类和标记，从而实现CPU级优先级保障。

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示范应用案例

本文所提出的方案已在5G物联网终端产品中得到应用，该产品在某油田客户的企业5G网络升级项目中应用，解决了生产区和运维区域的混合组网问题。

如图6所示，该试点应用的5G LAN组网方案已部署完成。在该场景下，客户生产区的现有PLC设备已具备IP通信能力，且在改造前即可与企业信息中心实现互联互通。部署“5G物联网终端”后，基于其5G LAN组网功能，在不调整客户现有二层组网架构的前提下，完成了5G网络的全面升级。5G物联网终端的运维由运维团队负责，在确保5G LAN通信稳定的前提下，运维团队能够正常进行终端的运维和管理。综合来看，该应用实例验证了本方案在解决客户现场5G LAN组网复杂性问题方面具有显著优势，且能有效降低行业客户进行5G网络升级改造的技术难度。

图6 某客户5G LAN应用组网

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结束语

在R16至R18的演进过程中，随着5G网络侧本地网功能逐渐完善， accompanied by the emergence of more industrial internet applications, this has placed new demands on commercialized industrial IoT 5G terminals. To address the specific needs of industrial network deployment, this paper focuses on analyzing the 5G IoT terminal 5G LAN groupcasting requirements in the industrial application context and proposes corresponding groupcasting solutions. The key technical solutions include the design of L2/L3 data mixed forwarding mechanisms and priority level assurance. Through field testing at a certain oilfield customer site, the effectiveness of the proposed solution has been validated. Given the complexity of industrial site network deployment, further research and exploration in this area are necessary to continuously promote the application of 5G technology in industrial sites.