機遇與挑戰(zhàn)并存，工業(yè)物聯網向以太網的轉型之路

　　前言：

　　物聯網（IoT）一詞往往與商業(yè)、工業(yè)和政府環(huán)境內的“智能物體”之間的嵌入式機器對機器（M2M）網絡通信相關聯。憑借其提供連接物體的實時可見性和控制能力，物聯網網絡注定將給我們的生活帶來無與倫比的透明度和效率。

　　工業(yè)是物聯網的重要應用領域?；谖锫摼W的智能工業(yè)模式正是當前工業(yè)發(fā)展的新熱潮，因此形成的工業(yè)物聯網網絡也隨之不斷地發(fā)展與完善。目前，雖然專有的通信協議已在工業(yè)物聯網應用的網絡通信中長期占據主導地位，但日益提高的聯網能力和物聯網網絡的高帶寬需求，已使以太網成為了取代傳統(tǒng)通信協議阻力最小的升級途徑。

　　以太網及TCP/IP通信技術在IT行業(yè)獲得了很大的成功， 成為IT行業(yè)應用中首選的網絡通信技術。近年來，由于國際現場總線技術標準化工作沒有達到人們理想中的結果，以太網及TCP/IP技術逐步在工業(yè)自動化中得到應用，并發(fā)展成為一種技術潮流。

　　以太網在工業(yè)自動化中的應用應該區(qū)分為兩個方面問題，或者說兩個層次的問題。一是工廠自動化技術與IT技術結合，與互連網Internet技術結合，成為未來可能的制造業(yè)電子商務技術、網絡制造技術雛形。大多數專家們對自動化技術這種發(fā)展趨勢給予肯定的評價。另一個方面，即以太網能否在工業(yè)過程控制底層，也就是設備層或稱為現場層廣泛應用？ 能否成為甚至取代現有的現場總線技術成為統(tǒng)一的工業(yè)物聯網網絡標準？這些問題實為目前自動化行業(yè)專家們爭論的熱點。

　　為了充分滿足這些需求，下一代以太網技術必須發(fā)展演進，并為以下三項關鍵功能提供原生支持：

　　1） 可靠性和確定性性能

　　2） 精確的授時和同步

　　3） 安全性

　　我們將關注為什么這些功能是必不可少的，以及它們將如何幫助以太網應對未來工業(yè)物聯網網絡將面臨的一些主要挑戰(zhàn)。

　　一個風險游戲：工業(yè)物聯網網絡要求可靠性和確定性性能

　　在工業(yè)物聯網中，采用的自治、對等（peer-to-peer）分布控制，遠比任何消費性物聯網的要求更高。數據采集、記錄和分析不斷且實時發(fā)生。利用能夠比人類更快地處理任務的系統(tǒng)，在無需人工干預的情況下，可靠和安全地運行是至關重要。例如，倉庫中物料搬運設備 可感知沿著傳送帶移動的包裹。它通過RFID標簽或條形碼辨認物料，并基于該信息相應引導該物料到下條傳送帶。通信故障可能潛在性地導致成本增加或威脅人員安全的風險。

　　現在想象一下一個監(jiān)控一座核電站結構性健康的網絡。錯誤檢測和可靠性承擔著更高的代價，因為在這樣環(huán)境中的通信故障可能造成災難性的后果，包括變電站崩潰、環(huán)境污染和死亡。在這些環(huán)境中，工業(yè)物聯網網絡有嚴格的性能和可靠性要求，包括：

　?。?）容錯能力

　?。?）安全

　?。?）低延遲

　?。?）低功耗

　　無處不在的覆蓋

　　隨著物聯網網絡加速其向以太網的過渡，它們可以利用由城域以太網論壇（Metro Ethernet Forum，MEF）所定義的、標準化的、電信級的服務定義來確定“電信級以太網”。這些標準尤其重要，因為物聯網網絡不可能承擔在網絡性能、穩(wěn)定性或服務可靠性等方面的妥協。我們將看到，隨著更多的物聯網網絡采用以太網，它們將尋求部署高性價比的、電信級的設備，以滿足這些實時需要的、高性能的聯網服務。

　表1：電信級以太網2.0增加的特性和功能，支持了用于移動、云計算和物聯網應用的先進服務的創(chuàng)建和交付。

　　授時和同步對工業(yè)物聯網網絡至關重要

　　IEEE 1588v2精密時間協議（1588或PTP）將在包括有線物聯網網絡在內的、各種下一代網絡中起到舉足輕重的作用。起源于工業(yè)自動化領域的1588能夠非常準確地授時，可為實時應用提供精確的計時時間（time-of-day，ToD）信息，以及時間戳輸入、調度和同步輸出。這種能力將最大限度地減少了傳統(tǒng)控制網絡的性能限制，如“響應時間抖動”等，支持共同完成時間敏感任務的那些完全不同的和分散的智能對象間的實時通信和互動，包括自動流量管理系統(tǒng)和自動駕駛汽車到智能電網管理。

　　以自動流量管理為例。1588可以為與公路和鐵路互連的流量管理系統(tǒng)提供可視性和動態(tài)控制，允許運營商基于客流量靈活調整時刻表。同樣，在自動駕駛汽車領域內，1588可以提供道路實時流量和擁塞數據，與自主車輛通信，以實現暢順的交通流量。

　　縱觀智能電網，公用事業(yè)公司可以使用1588來管理分散的能量供應源，如風力發(fā)電機或光伏系統(tǒng)。帶有1588功能的智能電網也可讓公用事業(yè)公司訪問實時負載數據，并可以通過迅速控制商業(yè)、工業(yè)和住宅環(huán)境中已有的用電限制系統(tǒng)，幫助他們針對突發(fā)需求高峰穩(wěn)定其電網。

　　圖1：物聯網（IoT）基礎設施將基于以太網，為高度分散的系統(tǒng)帶來前所未有的實時可見性和控制能力，包括流量管理系統(tǒng)和智能公共電網，如上圖所示。

　　展望未來，我們預計帶有1588計時支持的芯片解決方案將得到更廣泛的采用，以滿足這些嚴格的精度要求，以及物聯網環(huán)境的特定需求，如更小的尺寸和低功耗，并支持擴展的溫度范圍。