IPv6在选煤工业互联网的应用研究.pdf

文章编号：1001-3571 (2024)01-0087-05IPv6 在选煤工业互联网的应用研究李文阁1,2,3（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030032；2.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030032；3.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，山西 太原 030032）摘要：当前选煤生产网络主要使用基于 IPv4 协议的传统工业互联网，然而随着数字矿山、智慧矿山建设的大力推进，选煤厂生产规模不断扩大，使得智能化设备大量应用，对 IP 地址的需求越来越大，导致传统的选煤工业互联网 IPv4 资源逐渐耗尽，制约了选煤企业数字化基础设施的升级。文章介绍了 IPv6 的产生背景及发展前景，分析了选煤工业互联网应用现状，提出了 IPv6在选煤企业的推广应用建议。分析认为：IPv6 协议能解决 IPv4 协议地址空间耗尽的问题，IPv6技术在选煤工业互联网的应用可分为在选煤工业互联网子系统的应用、选煤工业互联网试用、选煤工业互联网大规模成熟应用三个阶段，可从开发出可覆盖选煤环境的 IPv6 矿用网络设备、适配 IPv6 协议的选煤应用系统以及适配 IPv6 协议的选煤设备硬件控制器三个方面进行推进。建议制定 IPv6 规模部署计划，为选煤企业数字化投资提供基础数据支撑、技术支持和保障；分IPv4 单栈、IPv4/IPv6 双栈、IPv6 单栈三个阶段部署协议交换平台；部署统一访问及服务体系，提升选煤各网络域业务系统访问便利性；建立安全防护体系，强化网络基于 VxLAN+EVPN、IPv6自组网技术的安全防护能力；建立统一的自动化、智能化运维支撑平台，实现全网部署、全栈监测、全程管控。选煤企业应积极推动 IPv6 在企业的深度应用，尽早实现数字化转型和智能化升级，为选煤行业的可持续发展提供支撑。关键词：选煤工业互联网；IPv6；协议交换平台；选煤企业数字化中图分类号：TN915.04；TD94文献标志码：AA study on application of IPv6 industrial Internet in coal prepara-tion industryLI Wenge1,2,3（1.CCTEG Taiyuan Research Institute Co.Ltd.,Taiyuan 030032,China；2.Shanxi Tiandi Coal Mining Machinery Co.Ltd.,Taiyuan 030032,China；3.China National Engineering Laboratory for Coal Mining Machinery,Taiyuan 030032,China）Abstract:The network currently applied in coal preparation industry is principally the IPv4 protocol-based in-dustrial Internet.With the advances in development of digital and smart mines and ever-increasing enlargementof scales of coal cleaning plant,intelligent device have found extensive applications.Due to rising demand for IPaddresses,the traditional IPv4 resources as mentioned-above has gradually become depleted,restricting con-sequently the upgrading of digital infrastructure in the coal preparation industry.Following an introduction to thebackground of emergence of IPv6 and its development prospect,the author presents an analysis of the currentstate in application of industrial Internet in coal preparation industry and suggests its widespread use in coal-re-lated enterprises.Analysis shows that with the use of IPv6,the problem regarding insufficiency of address spacecan be eliminated and its use in industrial Internet should be preferably made in the following three steps:first in 收稿日期：2023-12-15责任编辑：樊阳DOI：10.16447/ki.cpt.2024.01.015基金项目：山西省基础研究计划项目（202103021223462）；山西省重点研发计划项目（202102010101006）作者简介：李 文 阁（1985），男，山 西 代 县 人，工 程 师，硕 士，从 事 企 业 数 字 化 相 关 工 作。E-mail：，Tel：[phone]。引用格式：李文阁.IPv6 在选煤工业互联网的应用研究J.选煤技术，2024，52（1）：8791.LI Wenge.A study on application of IPv6 industrial Internet in coal preparation industryJ.Coal Preparation Technology，2024，52（1）：8791.第 52 卷 第 1 期选煤技术 Vol.52No.12024 年 2 月COALPREPARATIONTECHNOLOGY Feb.202487subsystems of Internet then in trial use in the industrys Internet and finally in extensive use at the time when theindustrial Internet reaches a mature stage.It is proposed to develop mine network devices capable of providingfull coverage under coal preparation environment,IPv6 protocol-based application systems and equipment hard-ware controllers;work out a general plan for extensive application of IPv6,provide digital and technical supportand guarantee for making investment on digital development of coal enterprises;deploy protocol exchange andconversion platforms for single use of IPv4,simultaneous use of IPv4/IPv6 and exclusive use of IPv6;developunified access and service systems,facilitate round-trip service transmission between individual net regions;de-velop security protection systems for providing a better protection of the networks self-organized based onVxLAN+EVPN and IPv6 protocols;and develop unified automatic and intelligent operation and maintenancesupport platform for realization of monitoring,management and control of all coal washing processes with wellorganized networks.It is pointed out that all the enterprise engaging in coal preparation operations ought to vig-orously promote the extensive use of IPv6 to realize as early as possible digital transition and intelligent upgrad-ing,so as to provide a strong support to sustainable development of coal preparation industry.Keywords:industrial Internet in coal preparation industry；IPv6；protocol exchange platform；development ofdigital coal preparation enterprise传统选煤工业互联网将面临新的挑战13。为了实现智能选煤，实时掌握选煤各生产环节情况，建立全面感知系统，对各种在线仪器仪表的需求越来越大，而且要求选煤工业互联网中每个联网设备都有唯一标识的通信地址，所有联网设备在同一个网络中实现信息共享和协同工作，这需要海量的IP 地址。然而，传统的基于 32 位地址长度的 IPv4网际协议存在地址空间使用耗尽的问题4，为了解决这一问题，使得数字矿山、智慧矿山得以在选煤行业落地，越来越多的选煤企业开始认识到 128 位地址长度的 IPv6 网际协议在支撑信息基础设施方面的重要性。文章旨在探讨 IPv6 技术在选煤工业互联网中的应用推广，为选煤企业升级现有网络架构提供有益的参考和建议。1IPv6 产生背景及发展现状 1.1IPv6 产生背景目前最为广泛使用的 IPv4 协议是在 20 世纪 70年代末期制定的，采用 32 位地址长度，每个地址占用 4 个字节大小，最大支持约 42.9 亿个 IP 地址。随着互联网服务和各种应用设备（如通信设备、传感器等）的迅速普及和推广，对 IP 地址的需求不断增加，而 IPv4 协议在地址分配方面显得越来越力不从心。为了解决这个问题，通常有三种扩充地址的方式。（1）NAT 网络地址转换法5。NAT 技术可以将内部局域网映射成唯一的外部通信地址，边界网关设备将内部地址转换成全球唯一的 IP 地址，从而实现和外部互联网的连接通信6。NAT 技术采用的是多对一的地址转换方式，实现了 IP 地址的复用，从而在一定程度上节约了 IPv4 协议本身的地址范围。目前，NAT 技术已成为 IPv4 扩充地址的主流方法。（2）CIDR 无分类编址法7。CIDR 技术是一种可用于解决 IPv4 地址空间不足的扩充方式。相较于传统 IPv4 协议中的 A 类、B 类、C 类等地址划分的概念，CIDR 技术不再进行这样的区分。它将网络前缀相同的连续 IP 地址组成一个大的地址块，从而更加有效地分配 IPv4 地址空间，CIDR 是一种有效的 IPv4 地址扩充方式。（3）IPv6 网际协议89。IPv6 是一种采用 128位地址长度的网际协议，其地址空间更加充足。IPv6有三种基本地址类型，分别是单播、多播和组播，地址格式采用前缀加接口标识的方式，其中前缀相当于 IPv4 中的网络 ID，接口标识相当于 IPv6 中的主机ID。IPv6 采用128 位地址长度，地址空间是IPv4的 296 倍。从互联网的发展态势来看，这样巨大的地址空间理论上不会出现地址枯竭现象。因此，IPv6协议是解决 IPv4 协议地址空间耗尽问题的最佳解决方案。1.2IPv6 发展现状IPv6 技术正日益得到全球各国广泛关注。许多国家都在积极抓住 IPv6 从实验走向应用的机遇。IPv4 技术的发源地在美国，因此美国享有 IPv4 地址带来的资源红利，其在研究 IPv6 技术方面也投入了大量资源。欧美、日韩等发达国家对 IPv6 技第 52 卷 第 1 期选煤技术2024 年 2 月 25 日 88术的研究处于领先水平，而中国也积极投身 IPv6的研究应用，紧随发达国家步伐6。目前，国际互联网工程任务组（The Internet Engineering Task Force，简称 IETF）正在制定大量的 IPv6 相关标准，包括地址结构、域名解析、安全、自动配置、路由协议等方面的标准，以推动 IPv6 技术的应用和发展10。自 2017 年起，我国 IPv6 规模部署一直按照 IPv6 网络“能用、好用、爱用、全用”的渐进发展思路，遵循着从 IPv6“网络就绪”到“端到端贯通”，再到“流量浓度提升”的网络演进发展规律。随着国内IPv6 网络的快速发展，IPv6 网络已逐步超越 IPv4网络。据工信部发布的IPv6 流量提升三年专项行动计划（20212023 年），到 2023 年底，移动网络 IPv6 流量占比超过 50%，固定网络 IPv6 流量规模达到 2020 年底的 3 倍以上11。2选煤工业互联网应用现状选煤是煤炭绿色加工的重要环节，智能化选煤厂是绿色、智慧矿山的重要组成部分12。随着选煤厂生产规模的扩大和智能化设备的大量应用，选煤工业互联网 IPv4 资源逐渐耗尽。因此，选煤企业必须考虑将现有基于 IPv4 技术的传统工业互联网逐步过渡到基于 IPv6 技术的工业互联网，以实现数字矿山和智慧矿山的数字化基础设施升级。智能化选煤厂通过建立智能管控中心，实现安全、生产、设备、决策、质量控制和物资管理等各部分之间的紧密联系，形成一套煤炭洗选加工智能化管理体系13。智能化选煤厂的逻辑架构可以分为 4 个层次，分别为基础平台层、数据层、管理层和决策层14。IPv6 技术作为基础平台层的核心技术支撑，在选煤工业互联网的应用分成三个阶段：第一阶段是 IPv6 技术在选煤工业互联网子系统的应用；第二阶段是 IPv6 技术在选煤工业互联网的试用；第三阶段是 IPv6 技术在选煤工业互联网的大规模成熟应用。目前国内大部分选煤企业处于第一阶段，部分选煤企业处于第二阶段，IPv6 技术在选煤工业互联网的应用正逐渐成熟。由于选煤环境条件复杂，并对安全性有较高的要求，因此设备需要满足更加严格的要求，例如具有耐高温、防湿度、防粉尘、防强电磁干扰等特性。当前支持 IPv6 协议的选煤设备和软件相对较少，要推动 IPv6 技术在选煤工业互联网中的全面应用，需要从三个方面进行推进：一是开发出可覆盖选煤环境的 IPv6 矿用网络设备；二是开发适配IPv6 协议的选煤应用系统；三是开发适配 IPv6 协议的选煤设备硬件控制器，如 PLC、单片机等。因此，为了确保选煤工业互联网的稳定性和安全性，必须将现有支持 IPv4 协议的工业互联网软硬件设施逐步替换升级为支持 IPv6 协议的设施。3IPv6 在选煤企业的推广应用建议基于 IPv6 规模部署相关政策要求及其技术发展趋势，为实现选煤企业工业互联网平台应用以及终端等 IPv6“端到端贯通”，全面提升 IPv6 流量浓度，解决关键环节不畅、应用程度不深等瓶颈问题，可以从以下几个方面制定符合选煤企业实际的推广应用策略。3.1将 IPv6 纳入选煤企业数字化发展战略推动 IPv6 深化部署纳入选煤企业数字化发展战略，制定 IPv6 规模部署 510 年规划及规模部署的阶段性目标，形成目标指引、制度体系、标准规范和行动计划的 IPv6 推广模式。若有条件，可以建设 IPv6 网络及应用发展监测平台，自动采集 IPv6网络业务流量，实现 IPv6 发展成果可视化，为企业数字化投资决策提供基础数据支撑，同时为企业的数字化发展战略落地提供重要的技术支持和保障。3.2部署协议交换平台为响应国家 IPv6 规模部署整体目标，可分三个阶段完成选煤工业互联网从 IPv4 到 IPv6 的过渡。如图 1 所示，通过建设协议交换平台快速实现单栈建设的 IPv4/IPv6 应用具备双栈服务能力。该平台作为 ICT 基础设施转向 IPv6 的关键基础平台，具有长期使用的服务价值。此外，还可以为 IPv6 规模部署提供技术支持和保障，为实现 IPv6 单栈运行的目标提供重要的基础设施支持。第一阶段：IPv4 单栈。可利用协议交换平台支持 IPv6 应用访问，当该 IPv4 应用到期不用或者到期启动 IPv6 单栈重建，则直接迁移到 IPv6 应用区，实现最大程度利旧，保护历史资产投资。第二阶段：IPv4/IPv6 双栈。新建的 IPv6 应用，可利用协议交换平台实现 IPv4 应用访问，当国家政策要求只提供 IPv6 单栈访问时，在交换平台上进行配置，禁止 IPv4 应用访问即可。就目前 IPv4至 IPv6 的过渡发展来看，当下所有适用于选煤工业互联网的硬件、软件平台应当同时兼容 IPv4/IPv6协议，能够保障在较成熟的 IPv4 通讯稳定情况下，数据也可通过 IPv6 传输，有效降低风险。第三阶段：IPv6 单栈。整个选煤工业互联网第 52 卷 第 1 期李文阁：IPv6 在选煤工业互联网的应用研究2024 年 2 月 25 日 89IPv6 单栈运行时，IPv4 出入口将关闭，互联网出入口区将不再有 IPv4 流量。这时，如果个别 IPv4 应用还在使用，并且不打算以 IPv6 单栈重建，则继续 通 过 协 议 交 换 平 台 支 持 IPv6 应 用 访 问，随 着IPv4 应用的逐步升级、淘汰及 IPv6 矿用设备和软件的大规模使用，最终发展为 IPv6 单栈。互联网出口(IPv4)安全防护(IPv4)接入交换机(IPv4)核心交换机(IPv4)接入交换机(IPv4)应用(IPv4)业务(IPv4)安全防护中心接入层业务应用层互联网出口(IPv6)安全防护(IPv6)接入交换机(IPv6)核心交换机(IPv6)接入交换机(IPv6)应用(IPv6)业务(IPv6)安全防护中心业务应用层接入层转换平台IPv4 互联网IPv6 互联网业务逐渐迁移图 1 协议交换平台Fig.1 Protocol exchange platform 3.3部署统一访问及服务体系启用 IPv6 协议栈后，为提升选煤各网络域业务系统访问便利性，可部署 DNS 权威域名服务，为业务应用提供统一 DNS 服务，同时为终端访问提 供 DDNS 服 务。建 设 统 一 的 IPAM，分 级 部 署DHCP 系统，实现 IPv6 设备即插即用，地址自动获取。3.4建立安全防护体系基于 IPv6“一网承载、多域应用、集约高效”的工业互联网架构，安全防护方面在继承原有防护能力的基础上，强化网络基于 VxLAN+EVPN、IPv6自组网技术的安全防护能力。统一承载网不仅不会降低系统安全性，而且兼容现有网闸、防火墙等隔离设施功能。VxLAN+EVPN 技术实现的网域间隔离等效于物理隔离，可保障安全性。跨域互联互通通过 EVPN 及 VRF 的配置，也可保证网络安全。IPv6自组网基于 IPv6 标识构建安全隔离、双向鉴权、加密访问的端到端安全网络域，实现“先认证，后接入”的安全访问模式，具有网络隐蔽性以及天然免疫 DDos 和中间人攻击等特点。3.5支撑运维体系在选煤企业深化部署 IPv6 和多网融合基础上，可结合企业现有软硬件基础设施，建立统一的自动化、智能化运维支撑平台，实现全网部署、全栈监测、全程管控。通过部署运维管理平台，基于统一的建模对选煤具体业务场景、应用功能进行抽象，以形成各类通用功能组件或服务单元，通过面向具体应用环境或系统实现快速配置、个性化定制。4结语随着国家 IPv6 规模部署政策的落地以及其相较于 IPv4 技术的先进性，IPv6 技术将为选煤工业互联网的应用发展带来广阔的应用前景。在数字矿山和智慧矿山持续推广建设的大背景下，选煤工业互联网从 IPv4 逐步过渡到 IPv6 下一代网际协议的趋势不可逆转，对海量 IP 资源的需求不断增长使得规模部署 IPv6 已成为必然趋势。因此，选煤企业应积极推动 IPv6 技术在企业的深度应用，尽早实现数字化转型和智能化升级。在未来的发展中，第 52 卷 第 1 期选煤技术2024 年 2 月 25 日 90IPv6 技术将成为选煤工业互联网应用不可或缺的重要组成部分，为选煤行业的可持续发展提供强有力的支撑。参考文献：龙永祥，王健.露天选煤网络发展与智慧矿山建设的关系J.露天采矿技术，2020，35（1）：119121.1 刘克颜.当前选煤厂智能化建设的技术路线与内容J.选煤技术，2020（6）：8690.2 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