機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)向以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)型之路 - 全文

　　前言：

　　物聯(lián)網(wǎng)（IoT）一詞往往與商業(yè)、工業(yè)和政府環(huán)境內(nèi)的“智能物體”之間的嵌入式機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)聯(lián)。憑借其提供連接物體的實(shí)時(shí)可見性和控制能力，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)注定將給我們的生活帶來(lái)無(wú)與倫比的透明度和效率。

　　工業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用領(lǐng)域?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能工業(yè)模式正是當(dāng)前工業(yè)發(fā)展的新熱潮，因此形成的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)也隨之不斷地發(fā)展與完善。目前，雖然專有的通信協(xié)議已在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信中長(zhǎng)期占據(jù)主導(dǎo)地位，但日益提高的聯(lián)網(wǎng)能力和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的高帶寬需求，已使以太網(wǎng)成為了取代傳統(tǒng)通信協(xié)議阻力最小的升級(jí)途徑。

　　以太網(wǎng)及TCP/IP通信技術(shù)在IT行業(yè)獲得了很大的成功， 成為IT行業(yè)應(yīng)用中首選的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。近年來(lái)，由于國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作沒(méi)有達(dá)到人們理想中的結(jié)果，以太網(wǎng)及TCP/IP技術(shù)逐步在工業(yè)自動(dòng)化中得到應(yīng)用，并發(fā)展成為一種技術(shù)潮流。

　　以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用應(yīng)該區(qū)分為兩個(gè)方面問(wèn)題，或者說(shuō)兩個(gè)層次的問(wèn)題。一是工廠自動(dòng)化技術(shù)與IT技術(shù)結(jié)合，與互連網(wǎng)Internet技術(shù)結(jié)合，成為未來(lái)可能的制造業(yè)電子商務(wù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)制造技術(shù)雛形。大多數(shù)專家們對(duì)自動(dòng)化技術(shù)這種發(fā)展趨勢(shì)給予肯定的評(píng)價(jià)。另一個(gè)方面，即以太網(wǎng)能否在工業(yè)過(guò)程控制底層，也就是設(shè)備層或稱為現(xiàn)場(chǎng)層廣泛應(yīng)用？ 能否成為甚至取代現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)成為統(tǒng)一的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)？這些問(wèn)題實(shí)為目前自動(dòng)化行業(yè)專家們爭(zhēng)論的熱點(diǎn)。

　　為了充分滿足這些需求，下一代以太網(wǎng)技術(shù)必須發(fā)展演進(jìn)，并為以下三項(xiàng)關(guān)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(shí)和同步

　　3） 安全性

　　我們將關(guān)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(wǎng)應(yīng)對(duì)未來(lái)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)將面臨的一些主要挑戰(zhàn)。

　　一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)游戲：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)要求可靠性和確定性性能

　　在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，采用的自治、對(duì)等（peer-to-peer）分布控制，遠(yuǎn)比任何消費(fèi)性物聯(lián)網(wǎng)的要求更高。數(shù)據(jù)采集、記錄和分析不斷且實(shí)時(shí)發(fā)生。利用能夠比人類更快地處理任務(wù)的系統(tǒng)，在無(wú)需人工干預(yù)的情況下，可靠和安全地運(yùn)行是至關(guān)重要。例如，倉(cāng)庫(kù)中物料搬運(yùn)設(shè)備 可感知沿著傳送帶移動(dòng)的包裹。它通過(guò)RFID標(biāo)簽或條形碼辨認(rèn)物料，并基于該信息相應(yīng)引導(dǎo)該物料到下條傳送帶。通信故障可能潛在性地導(dǎo)致成本增加或威脅人員安全的風(fēng)險(xiǎn)。

　　現(xiàn)在想象一下一個(gè)監(jiān)控一座核電站結(jié)構(gòu)性健康的網(wǎng)絡(luò)。錯(cuò)誤檢測(cè)和可靠性承擔(dān)著更高的代價(jià)，因?yàn)樵谶@樣環(huán)境中的通信故障可能造成災(zāi)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(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)有嚴(yán)格的性能和可靠性要求，包括：

　?。?）容錯(cuò)能力

　　（2）安全

　?。?）低延遲

　　（4）低功耗

　　無(wú)處不在的覆蓋

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)加速其向以太網(wǎng)的過(guò)渡，它們可以利用由城域以太網(wǎng)論壇（Metro Ethernet Forum，MEF）所定義的、標(biāo)準(zhǔn)化的、電信級(jí)的服務(wù)定義來(lái)確定“電信級(jí)以太網(wǎng)”。這些標(biāo)準(zhǔn)尤其重要，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)不可能承擔(dān)在網(wǎng)絡(luò)性能、穩(wěn)定性或服務(wù)可靠性等方面的妥協(xié)。我們將看到，隨著更多的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，它們將尋求部署高性價(jià)比的、電信級(jí)的設(shè)備，以滿足這些實(shí)時(shí)需要的、高性能的聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

　表1：電信級(jí)以太網(wǎng)2.0增加的特性和功能，支持了用于移動(dòng)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的先進(jìn)服務(wù)的創(chuàng)建和交付。

　　授時(shí)和同步對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要

　　IEEE 1588v2精密時(shí)間協(xié)議（1588或PTP）將在包括有線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的、各種下一代網(wǎng)絡(luò)中起到舉足輕重的作用。起源于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的1588能夠非常準(zhǔn)確地授時(shí)，可為實(shí)時(shí)應(yīng)用提供精確的計(jì)時(shí)時(shí)間（time-of-day，ToD）信息，以及時(shí)間戳輸入、調(diào)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(wǎng)絡(luò)的性能限制，如“響應(yīng)時(shí)間抖動(dòng)”等，支持共同完成時(shí)間敏感任務(wù)的那些完全不同的和分散的智能對(duì)象間的實(shí)時(shí)通信和互動(dòng)，包括自動(dòng)流量管理系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛汽車到智能電網(wǎng)管理。

　　以自動(dòng)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(dòng)態(tài)控制，允許運(yùn)營(yíng)商基于客流量靈活調(diào)整時(shí)刻表。同樣，在自動(dòng)駕駛汽車領(lǐng)域內(nèi)，1588可以提供道路實(shí)時(shí)流量和擁塞數(shù)據(jù)，與自主車輛通信，以實(shí)現(xiàn)暢順的交通流量。

　　縱觀智能電網(wǎng)，公用事業(yè)公司可以使用1588來(lái)管理分散的能量供應(yīng)源，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)或光伏系統(tǒng)。帶有1588功能的智能電網(wǎng)也可讓公用事業(yè)公司訪問(wèn)實(shí)時(shí)負(fù)載數(shù)據(jù)，并可以通過(guò)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(duì)突發(fā)需求高峰穩(wěn)定其電網(wǎng)。

　　圖1：物聯(lián)網(wǎng)（IoT）基礎(chǔ)設(shè)施將基于以太網(wǎng)，為高度分散的系統(tǒng)帶來(lái)前所未有的實(shí)時(shí)可見性和控制能力，包括流量管理系統(tǒng)和智能公共電網(wǎng)，如上圖所示。

　　展望未來(lái)，我們預(yù)計(jì)帶有1588計(jì)時(shí)支持的芯片解決方案將得到更廣泛的采用，以滿足這些嚴(yán)格的精度要求，以及物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的特定需求，如更小的尺寸和低功耗，并支持?jǐn)U展的溫度范圍。

　　安全性對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要

　　有關(guān)信息安全和保護(hù)商業(yè)，工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施免受網(wǎng)絡(luò)攻擊的意識(shí)正在提高。由于以前的封閉物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和智能設(shè)備現(xiàn)在要連接到外部世界，準(zhǔn)備就緒堅(jiān)實(shí)可靠的安全策略勢(shì)在必行。雖然存在眾多的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全模型，我們?cè)诒绢I(lǐng)域內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)仍是加密功能，因?yàn)樗潜ＷC網(wǎng)絡(luò)安全連接的最有效手段之一。

　　今天常用的一種基于網(wǎng)絡(luò)的安全協(xié)議是IPsec。IPsec運(yùn)行在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)的第3層（L3），它可在路由網(wǎng)絡(luò)中很好地工作。然而，因?yàn)樗ǔＰ枰度胧交驅(qū)Ｓ玫莫?dú)立加密引擎，實(shí)現(xiàn)起來(lái)成本很高。

　　工作在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)的第2層（L2）工作的另一種替代方案是IEEE 802.1AE“MACSec”安全標(biāo)準(zhǔn)，它與“KeySec”認(rèn)證密鑰協(xié)商協(xié)議l 802.1af共同使用。雖然今天沒(méi)有被廣泛采用，但由于其在L2層可簡(jiǎn)便而高性價(jià)比地實(shí)現(xiàn)，它提供了一個(gè)更簡(jiǎn)單、更高效、可擴(kuò)展的選擇。

　　像其他基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)一樣，保護(hù)其多個(gè)接入點(diǎn)的強(qiáng)大加密功能將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)至關(guān)重要。由于任何帶有一個(gè)IP地址的設(shè)備理論上都是脆弱的，連接的“東西”越多，對(duì)黑客們可訪問(wèn)點(diǎn)的數(shù)量就越大。隨著物聯(lián)網(wǎng)和我們的互聯(lián)世界進(jìn)一步擴(kuò)展，任何從工廠網(wǎng)絡(luò)到單臺(tái)家用電器的東西都將被包括在預(yù)計(jì)的750億個(gè)物聯(lián)網(wǎng)連接之中，使得可擴(kuò)展的、高性價(jià)比的安全技術(shù)變得更為關(guān)鍵。

　　幸運(yùn)的是，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）創(chuàng)建了一套最佳實(shí)踐，它已成為保護(hù)系統(tǒng)免受網(wǎng)絡(luò)攻擊的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。我們有望看到，通過(guò)遵循下面這些原 則，如NIST的FIPS 197中描述的AES加密，將成為基于以太網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的基本最低要求。而且考慮到物聯(lián)網(wǎng)的同步要求，我們可以進(jìn)一步預(yù)計(jì)“安全的1588”系列技術(shù) ——即加密方法不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)時(shí)同——對(duì)于這些網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期成功舉足輕重。

　　工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)所在

　　以太網(wǎng)相比已有的通信協(xié)議，應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域擁有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

　?。?）Ethernet是全開放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同廠商的設(shè)備可以很容易實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

　　（2）以太網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，形成企業(yè)級(jí)管控一體化的全開放網(wǎng)絡(luò)。

　?。?）軟硬件成本低廉，由于以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，支持以太網(wǎng)的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備供用戶選擇。

　?。?）通信速率高，隨著企業(yè)信息系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜程度的提高，對(duì)信息量的需求也越來(lái)越大，有時(shí) 甚至需要音頻、視頻數(shù)據(jù)的傳輸，目前以太網(wǎng)的通信速率為10M、100M 的快速以太網(wǎng)開始廣泛應(yīng)用，千兆以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，10G以太網(wǎng)也正在研究，其速率比目前的現(xiàn)場(chǎng)總線快很多。

　?。?）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?，在這信息瞬息萬(wàn)變的時(shí)代。企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個(gè)快速而有效的通信管理網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網(wǎng)技術(shù)不斷地持續(xù)向前發(fā)展。

　　工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展前景

　　以太網(wǎng)隨著技術(shù)的成熟，交換技術(shù)的應(yīng)用，高速以太網(wǎng)的發(fā)展等在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域上正迅速增長(zhǎng)，幾乎所有的 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)最終可以都連接到以太網(wǎng)。隨著集成電路的發(fā)展，高檔的微處理器作為I/O處理器和控制器核心的條件逐漸成熟，而在控制器上運(yùn)行的實(shí)時(shí)嵌入式操 作系統(tǒng)使控制器易于實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，以太網(wǎng)絡(luò)更易于接近現(xiàn)場(chǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α＿^(guò)程控制工業(yè)和 自動(dòng)化工業(yè)，從嵌入式系統(tǒng)到現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，都認(rèn)識(shí)到了以太網(wǎng)和TCP/IP 的重要性，以太網(wǎng)和TCP/ IP 作為世界上最為廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它將成為過(guò)程級(jí)和控制級(jí)的主要傳輸技術(shù)。帶TCP/ IP 協(xié)議的

　　標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口現(xiàn)在已經(jīng)在智能設(shè)備和I/ O 模塊中使用。它能夠與工廠信息管理系統(tǒng)進(jìn)行直接地、無(wú)縫地連接，而無(wú)需任何專用設(shè)備。因此可以說(shuō)，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)中的使用將構(gòu)建從底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 備到先進(jìn)與優(yōu)化控制層、企業(yè)管理決策層的綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，從而可以消除企業(yè)內(nèi)部的各種自動(dòng)化孤島。以太網(wǎng)作為21 世紀(jì)未來(lái)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的首選，它將在控制和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)成為標(biāo)準(zhǔn)的高速工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，有著廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

　　工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的通信已成大勢(shì)所趨。

　　結(jié)論

　　毫無(wú)疑問(wèn)，以太網(wǎng)只會(huì)隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和工業(yè)需求的飛速提高進(jìn)一步融入工業(yè)領(lǐng)域，促進(jìn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的不斷完善和發(fā)展。但這也是一條任重而道遠(yuǎn)，同時(shí)充滿機(jī)遇與挑戰(zhàn)的道路，無(wú)論如何，我們會(huì)看到，在以太網(wǎng)演進(jìn)成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的過(guò)程中，只要把握好確定性、同步性和安全性這三項(xiàng)要求，在不久的未來(lái)我們將看到一場(chǎng)眾望所歸的“工業(yè)革命風(fēng)暴”。