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

　　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無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，由于國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作沒有達(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)方面問題，或者說兩個(gè)層次的問題。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

　?。?）安全

　?。?）低延遲

　　（4）低功耗

　　無處不在的覆蓋

　　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)公司訪問實(shí)時(shí)負(fù)載數(shù)據(jù)，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(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，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。