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機遇與挑戰并存:工業物聯網向以太網轉型

未知 2019-10-14 15:13

  物聯網(IoT)一詞往往與商業、工業和政府環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。

  工業是物聯網的重要應用領域。基于物聯網的智能工業模式正是當前工業發展的新熱潮,因此形成的工業物聯網網絡也隨之不斷地發展與完善。目前,雖然專有的通信協議已在工業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行業獲得了很大的成功,成為IT行業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技術逐步在工業自動化中得到應用,并發展成為一種技術潮流。

  以太網在工業自動化中的應用應該區分為兩個方面問題,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展趨勢給予肯定的評價。另一個方面,即以太網能否在工業過程控制底層,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一的工業物聯網網絡標準?這些問題實為目前自動化行業專家們爭論的熱點。

  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物聯網網絡將面臨的一些主要挑戰。

  一個風險游戲:工業物聯網網絡要求可靠性和確定性性能

  在工業物聯網中,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生。利用能夠比人類更快地處理任務的系統,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、環境污染和死亡。在這些環境中,工業物聯網網絡有嚴格的性能和可靠性要求,包括:

  (1)容錯能力

  (2)安全

  (3)低延遲

  (4)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(MetroEthernetForum,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建和交付。

  授時和同步對工業物聯網網絡至關重要

  IEEE1588v2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提供可視性和動態控制,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,公用事業公司可以使用1588來管理分散的能量供應源,如風力發電機或光伏系統。帶有1588功能的智能電網也可讓公用事業公司訪問實時負載數據,并可以通過迅速控制商業、工業和住宅環境中已有的用電限制系統,幫助他們針對突發需求高峰穩定其電網。

  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。

  安全性對工業物聯網網絡至關重要

  有關信息安全和保護商業,工業基礎設施免受網絡攻擊的意識正在提高。由于以前的封閉物聯網網絡和智能設備現在要連接到外部世界,準備就緒堅實可靠的安全策略勢在必行。雖然存在眾多的網絡和數據安全模型,我們在本領域內關注的重點仍是加密功能,因為它是保證網絡安全連接的最有效手段之一。

  今天常用的一種基于網絡的安全協議是IPsec。IPsec運行在互聯網協議層次結構的第3層(L3),它可在路由網絡中很好地工作。然而,因為它通常需要嵌入式或專用的獨立加密引擎,實現起來成本很高。

  工作在互聯網協議層次結構的第2層(L2)工作的另一種替代方案是IEEE802.1AEMACSec安全標準,它與KeySec認證密鑰協商協議l802.1af共同使用。雖然今天沒有被廣泛采用,但由于其在L2層可簡便而高性價比地實現,它提供了一個更簡單、更高效、可擴展的選擇。

  像其他基于以太網的網絡一樣,保護其多個接入點的強大加密功能將對物聯網至關重要。由于任何帶有一個IP地址的設備理論上都是脆弱的,連接的東西越多,對黑客們可訪問點的數量就越大。隨著物聯網和我們的互聯世界進一步擴展,任何從工廠網絡到單臺家用電器的東西都將被包括在預計的750億個物聯網連接之中,使得可擴展的、高性價比的安全技術變得更為關鍵。

  幸運的是,美國國家標準與技術研究所(NIST)創建了一套最佳實踐,它已成為保護系統免受網絡攻擊的事實標準。我們有望看到,通過遵循下面這些原則,如NIST的FIPS197中描述的AES加密,將成為基于以太網的物聯網網絡的基本最低要求。而且考慮到物聯網的同步要求,我們可以進一步預計安全的1588系列技術即加密方法不會影響網絡時同對于這些網絡實現長期成功舉足輕重。

  工業以太網的優勢所在

  以太網相比已有的通信協議,應用在工業領域擁有得天獨厚的優勢。

  (1)Ethernet是全開放、全數字化的網絡,遵照網絡協議不同廠商的設備可以很容易實現互聯。

  (2)以太網能實現工業控制網絡與企業信息網絡的無縫連接,形成企業級管控一體化的全開放網絡。

  (3)軟硬件成本低廉,由于以太網技術已經非常成熟,支持以太網的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持,有多種軟件開發環境和硬件設備供用戶選擇。

  (4)通信速率高,隨著企業信息系統規模的擴大和復雜程度的提高,對信息量的需求也越來越大,有時甚至需要音頻、視頻數據的傳輸,目前以太網的通信速率為10M、100M的快速以太網開始廣泛應用,千兆以太網技術也逐漸成熟,10G以太網也正在研究,其速率比目前的現場總線快很多。

  (5)可持續發展潛力大,在這信息瞬息萬變的時代。企業的生存與發展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網絡,信息技術與通信技術的發展將更加迅速,也更加成熟,由此保證了以太網技術不斷地持續向前發展。

  工業以太網的發展前景

  以太網隨著技術的成熟,交換技術的應用,高速以太網的發展等在工業自動化領域上正迅速增長,幾乎所有的現場總線系統最終可以都連接到以太網。隨著集成電路的發展,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,而在控制器上運行的實時嵌入式操作系統使控制器易于實現TCP/IP協議,以太網絡更易于接近現場。工業以太網已經成為控制系統網絡發展的主要方向,具有很大的發展潛力。過程控制工業和自動化工業,從嵌入式系統到現場總線控制系統,都認識到了以太網和TCP/IP的重要性,以太網和TCP/IP作為世界上最為廣泛應用的網絡協議,它將成為過程級和控制級的主要傳輸技術。帶TCP/IP協議的標準的以太網接口現在已經在智能設備和I/O模塊中使用。它能夠與工廠信息管理系統進行直接地、無縫地連接,而無需任何專用設備。因此可以說,工業以太網在工業通訊網絡中的使用將構建從底層的現場設備到先進與優化控制層、企業管理決策層的綜合自動化網絡平臺,從而可以消除企業內部的各種自動化孤島。以太網作為21世紀未來工業網絡的首選,它將在控制和現場設備級成為標準的高速工業網絡,有著廣闊的應用和發展前景。

  工業以太網技術直接應用于工業現場設備間的通信已成大勢所趨。

  結論

  毫無疑問,以太網只會隨著互聯網技術和工業需求的飛速提高進一步融入工業領域,促進工業物聯網的不斷完善和發展。但這也是一條任重而道遠,同時充滿機遇與挑戰的道路,無論如何,我們會看到,在以太網演進成為工業物聯網網絡基礎的過程中,只要把握好確定性、同步性和安全性這三項要求,在不久的未來我們將看到一場眾望所歸的工業革命風暴。

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