解析電力通信、以太網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)三者關(guān)系

　　物聯(lián)網(wǎng)（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(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(jiàn)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)的重要應用領(lǐng)域?；谖锫?lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )也隨之不斷地發(fā)展與完善。

　　目前，雖然專(zhuān)有的通信協(xié)議已在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的網(wǎng)絡(luò )通信中長(cháng)期占據主導地位，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)成為了取代傳統通信協(xié)議阻力最小的升級途徑。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)應用中首選的網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)。

　　近年來(lái)，由于國際現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)標準化工作沒(méi)有達到人們理想中的結果，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)化中的應用應該區分為兩個(gè)方面問(wèn)題，或者說(shuō)兩個(gè)層次的問(wèn)題。一是工廠(chǎng)自動(dòng)化技術(shù)與IT技術(shù)結合，與互連網(wǎng)Internet(＄68.6000)技術(shù)結合，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。大多數專(zhuān)家們對自動(dòng)化技術(shù)這種發(fā)展趨勢給予肯定的評價(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，也就是設備層或稱(chēng)為現場(chǎng)層廣泛應用？能否成為甚至取代現有的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)成為統一的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )標準？這些問(wèn)題實(shí)為目前自動(dòng)化行業(yè)專(zhuān)家們爭論的熱點(diǎn)。

　　為了充分滿(mǎn)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)應對未來(lái)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )將面臨的一些主要挑戰。

　　一個(gè)風(fēng)險游戲：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、對等（peer-to-peer）分布控制，遠比任何消費性物聯(lián)網(wǎng)的要求更高。數據采集、記錄和分析不斷且實(shí)時(shí)發(fā)生。利用能夠比人類(lèi)更快地處理任務(wù)的系統，在無(wú)需人工干預的情況下，可靠和安全地運行是至關(guān)重要。

　　例如，倉庫中物料搬運設備可感知沿著(zhù)傳送帶移動(dòng)的包裹。它通過(guò)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(fēng)險。

　　現在想象一下一個(gè)監控一座核電站結構性健康的網(wǎng)絡(luò )。

　　錯誤檢測和可靠性承擔著(zhù)更高的代價(jià)，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(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )有嚴格的性能和可靠性要求，包括：

　?。?）容錯能力（2）安全（3）低延遲（4）低功耗無(wú)處不在的覆蓋隨著(zhù)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（MetroEthernetForum，MEF）所定義的、標準化的、電信級的服務(wù)定義來(lái)確定“電信級以太網(wǎng)”。這些標準尤其重要，因為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )不可能承擔在網(wǎng)絡(luò )性能、穩定性或服務(wù)可靠性等方面的妥協(xié)。我們將看到，隨著(zhù)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?xún)r(jià)比的、電信級的設備，以滿(mǎn)足這些實(shí)時(shí)需要的、高性能的聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

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

　　授時(shí)和同步對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )至關(guān)重要IEEE1588v2精密時(shí)間協(xié)議（1588或PTP）將在包括有線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )在內的、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能夠非常準確地授時(shí)，可為實(shí)時(shí)應用提供精確的計時(shí)時(shí)間（time-of-day，ToD）信息，以及時(shí)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(wǎng)絡(luò )的性能限制，如“響應時(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象間的實(shí)時(shí)通信和互動(dòng)，包括自動(dòng)流量管理系統和自動(dòng)駕駛汽車(chē)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提供可視性和動(dòng)態(tài)控制，允許運營(yíng)商基于客流量靈活調整時(shí)刻表。

　　同樣，在自動(dòng)駕駛汽車(chē)領(lǐng)域內，1588可以提供道路實(shí)時(shí)流量和擁塞數據，與自主車(chē)輛通信，以實(shí)現暢順的交通流量。

　　縱觀(guān)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源，如風(fēng)力發(fā)電機或光伏系統。帶有1588功能的智能電網(wǎng)也可讓公用事業(yè)公司訪(fǎng)問(wèn)實(shí)時(shí)負載數據，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，幫助他們針對突發(fā)需求高峰穩定其電網(wǎng)。

　　圖1 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）基礎設施將基于以太網(wǎng)，為高度分散的系統帶來(lái)前所未有的實(shí)時(shí)可見(jiàn)性和控制能力，包括流量管理系統和智能公共電網(wǎng)，如上圖所示。（圖片由SmartGRidTech提供）

　　展望未來(lái)，我們預計帶有1588計時(shí)支持的芯片解決方案將得到更廣泛的采用，以滿(mǎn)足這些嚴格的精度要求，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，并支持擴展的溫度范圍。

　　安全性對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )至關(guān)重要有關(guān)信息安全和保護商業(yè)，工業(yè)基礎設施免受網(wǎng)絡(luò )攻擊的意識正在提高。由于以前的閉物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )和智能設備現在要連接到外部世界，準備就緒堅實(shí)可靠的安全策略勢在必行。雖然存在眾多的網(wǎng)絡(luò )和數據安全模型，我們在本領(lǐng)域內關(guān)注的重點(diǎn)仍是加密功能，因為它是保證網(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運行在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議層次結構的第3層（L3），它可在路由網(wǎng)絡(luò )中很好地工作。然而，因為它通常需要嵌入式或專(zhuān)用的獨立加密引擎，實(shí)現起來(lái)成本很高。工作在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議層次結構的第2層（L2）工作的另一種替代方案是IEEE802.1AE“MACSec”安全標準，它與“KeySec”認證密鑰協(xié)商協(xié)議l802.1af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?xún)r(jià)比地實(shí)現，它提供了一個(gè)更簡(jiǎn)單、更高效、可擴展的選擇。像其他基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )一樣，保護其多個(gè)接入點(diǎn)的強大加密功能將對物聯(lián)網(wǎng)至關(guān)重要。由于任何帶有一個(gè)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(fǎng)問(wèn)點(diǎn)的數量就越大。

　　隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)和我們的互聯(lián)世界進(jìn)一步擴展，任何從工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )到單臺家用電器的東西都將被包括在預計的750億個(gè)物聯(lián)網(wǎng)連接之中，使得可擴展的、高性?xún)r(jià)比的安全技術(shù)變得更為關(guān)鍵。幸運的是，美國國家標準與技術(shù)研究所（NIST）創(chuàng )建了一套最佳實(shí)踐，它已成為保護系統免受網(wǎng)絡(luò )攻擊的事實(shí)標準。

　　我們有望看到，通過(guò)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(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)一步預計“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——對于這些網(wǎng)絡(luò )實(shí)現長(cháng)期成功舉足輕重。工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢所在以太網(wǎng)相比已有的通信協(xié)議，應用在工業(yè)領(lǐng)域擁有得天獨厚的優(yōu)勢。

　?。?）Ethernet是全開(kāi)放、全數字化的網(wǎng)絡(luò )，遵照網(wǎng)絡(luò )協(xié)議不同廠(chǎng)商的設備可以很容易實(shí)現互聯(lián)。

　?。?）以太網(wǎng)能實(shí)現工業(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)級管控一體化的全開(kāi)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(chǎng)商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和硬件設備供用戶(hù)選擇。

　?。?）通信速率高，隨著(zhù)企業(yè)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(lái)越大，有時(shí)甚至需要音頻、視頻數據的傳輸，目前以太網(wǎng)的通信速率為10M、100M的快速以太網(wǎng)開(kāi)始廣泛應用，千兆以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，10G以太網(wǎng)也正在研究，其速率比目前的現場(chǎng)總線(xiàn)快很多。

　?。?）可持續發(fā)展潛力大，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(lài)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)不斷地持續向前發(fā)展。

　　工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展前景以太網(wǎng)隨著(zhù)技術(shù)的成熟，交換技術(shù)的應用，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(cháng)，幾乎所有的現場(chǎng)總線(xiàn)系統最終可以都連接到以太網(wǎng)。隨著(zhù)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，而在控制器上運行的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統使控制器易于實(shí)現TCP/IP協(xié)議，以太網(wǎng)絡(luò )更易于接近現場(chǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為控制系統網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的主要方向，具有很大的發(fā)展潛力。

　　過(guò)程控制工業(yè)和自動(dòng)化工業(yè)，從嵌入式系統到現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，都認識到了以太網(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用的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，它將成為過(guò)程級和控制級的主要傳輸技術(shù)。帶TCP/IP協(xié)議的標準的以太網(wǎng)接口現在已經(jīng)在智能設備和I/O模塊中使用。它能夠與工廠(chǎng)信息管理系統進(jìn)行直接地、無(wú)縫地連接，而無(wú)需任何專(zhuān)用設備。

　　因此可以說(shuō)，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò )中的使用將構建從底層的現場(chǎng)設備到先進(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，從而可以消除企業(yè)內部的各種自動(dòng)化孤島。

　　以太網(wǎng)作為21世紀未來(lái)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的首選，它將在控制和現場(chǎng)設備級成為標準的高速工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，有著(zhù)廣闊的應用和發(fā)展前景。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)直接應用于工業(yè)現場(chǎng)設備間的通信已成大勢所趨。結論毫無(wú)疑問(wèn)，以太網(wǎng)只會(huì )隨著(zhù)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，同時(shí)充滿(mǎn)機遇與挑戰的道路，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 )基礎的過(guò)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(lái)我們將看到一場(chǎng)眾望所歸的“工業(yè)革命風(fēng)暴”。