Encapsulamento de protocolos Ethernet Industrial utilizando a rede 5G

Abstract

A Indústria 4.0 é caracterizada por incorporar novas tecnologias ao ambiente de trabalho e proporcionar ganhos substanciais de produtividade, mas que trazem consigo novas demandas quanto às capacidades das rede de comunicação utilizadas. O 5G, por sua vez, é capaz de oferecer em uma de suas classes de uso, dentre muitas outras características, alta confiabilidade e baixíssima latência de comunicação. Neste trabalho, propôs-se uma maneira de integrar esses dois cenários ao aplicar uma técnica de encapsulamento de protocolos industriais baseados em Ethernet, bem como seu envio através da rede de acesso de rádio do 5G, se utilizando de ferramentas existentes e já consolidadas no contexto das redes de comunicação. Escolheu-se o L2TPv3 (Layer 2 Tunnelling Protocol version 3 ) — uma aplicação que implementa um protocolo de tunelamento de camada dois — para encapsular os protocolos industriais que implementam o Ethernet na camada de enlace. Para simular a rede de acesso de rádio do 5G, utilizou-se o pacote OpenAirInterface. Configurou-se network namespaces no sistema operacional Linux de modo a simular dispositivos comuns das redes industriais, como controladores, sensores e atuadores. Realizou-se, então, testes de integração, enviando pacotes encapsulados para serem transmitidos pelo 5G. Ao final, comprovou-se a eficácia do sistema desenvolvida através da análise dos dados coletados.

Industry 4.0 is characterized by incorporating new technologies into the work environment and providing substantial productivity gains, but which bring with it new demands regarding the capabilities of the communication networks used. 5G, in turn, is capable of offering in one of its classes of use, among many other characteristics, high reliability and very low latency communication. In this work, a way to integrate these two scenarios was proposed by developing a technique that enables the encapsulation of industrial protocols based on Ethernet, as well as their transmission through the 5G radio access network, using existing tools that are already consolidated in the context of communication networks. L2TPv3 (Layer Two Tunneling Protocol Version 3) — an application that implements a layer two tunneling protocol — was chosen to encapsulate the industrial protocols that implement Ethernet in their physical layer. To simulate the 5G radio access network, the application OpenAirInterface was used. Network namespaces were configured in the Linux operating system in order to simulate common industrial network devices, such as controllers, sensors and actuators. Integration tests were performed, sending encapsulated packets to be transmitted over 5G. In the end, the effectiveness of the developed metodology was confirmed through the analysis of the collected data.