机遇与挑战并存，工业物联网向以太网的转型之路

　　前言：

　　物联网（IoT）一词往往与商业、工业和政府环境内的“智能物体”之间的嵌入式机器对机器（M2M）网络通信相关联。凭借其提供连接物体的实时可见性和控制能力，物联网网络注定将给我们的生活带来无与伦比的透明度和效率。

　　工业是物联网的重要应用领域。基于物联网的智能工业模式正是当前工业发展的新热潮，因此形成的工业物联网网络也随之不断地发展与完善。目前，虽然专有的通信协议已在工业物联网应用的网络通信中长期占据主导地位，但日益提高的联网能力和物联网网络的高带宽需求，已使以太网成为了取代传统通信协议阻力最小的升级途径。

　　以太网及TCP/IP通信技术在IT行业获得了很大的成功， 成为IT行业应用中首选的网络通信技术。近年来，由于国际现场总线技术标准化工作没有达到人们理想中的结果，以太网及TCP/IP技术逐步在工业自动化中得到应用，并发展成为一种技术潮流。

　　以太网在工业自动化中的应用应该区分为两个方面问题，或者说两个层次的问题。一是工厂自动化技术与IT技术结合，与互连网Internet技术结合，成为未来可能的制造业电子商务技术、网络制造技术雏形。大多数专家们对自动化技术这种发展趋势给予肯定的评价。另一个方面，即以太网能否在工业过程控制底层，也就是设备层或称为现场层广泛应用？ 能否成为甚至取代现有的现场总线技术成为统一的工业物联网网络标准？这些问题实为目前自动化行业专家们争论的热点。

　　为了充分满足这些需求，下一代以太网技术必须发展演进，并为以下三项关键功能提供原生支持：

　　1） 可靠性和确定性性能

　　2） 精确的授时和同步

　　3） 安全性

　　我们将关注为什么这些功能是必不可少的，以及它们将如何帮助以太网应对未来工业物联网网络将面临的一些主要挑战。

　　一个风险游戏：工业物联网网络要求可靠性和确定性性能

　　在工业物联网中，采用的自治、对等（peer-to-peer）分布控制，远比任何消费性物联网的要求更高。数据采集、记录和分析不断且实时发生。利用能够比人类更快地处理任务的系统，在无需人工干预的情况下，可靠和安全地运行是至关重要。例如，仓库中物料搬运设备 可感知沿着传送带移动的包裹。它通过RFID标签或条形码辨认物料，并基于该信息相应引导该物料到下条传送带。通信故障可能潜在性地导致成本增加或威胁人员安全的风险。

　　现在想象一下一个监控一座核电站结构性健康的网络。错误检测和可靠性承担着更高的代价，因为在这样环境中的通信故障可能造成灾难性的后果，包括变电站崩溃、环境污染和死亡。在这些环境中，工业物联网网络有严格的性能和可靠性要求，包括：

　　（1）容错能力

　　（2）安全

　　（3）低延迟

　　（4）低功耗

　　无处不在的覆盖

　　随着物联网网络加速其向以太网的过渡，它们可以利用由城域以太网论坛（Metro Ethernet Forum，MEF）所定义的、标准化的、电信级的服务定义来确定“电信级以太网”。这些标准尤其重要，因为物联网网络不可能承担在网络性能、稳定性或服务可靠性等方面的妥协。我们将看到，随着更多的物联网网络采用以太网，它们将寻求部署高性价比的、电信级的设备，以满足这些实时需要的、高性能的联网服务。

　　

　表1：电信级以太网2.0增加的特性和功能，支持了用于移动、云计算和物联网应用的先进服务的创建和交付。

　　授时和同步对工业物联网网络至关重要

　　IEEE 1588v2精密时间协议（1588或PTP）将在包括有线物联网网络在内的、各种下一代网络中起到举足轻重的作用。起源于工业自动化领域的1588能够非常准确地授时，可为实时应用提供精确的计时时间（time-of-day，ToD）信息，以及时间戳输入、调度和同步输出。这种能力将最大限度地减少了传统控制网络的性能限制，如“响应时间抖动”等，支持共同完成时间敏感任务的那些完全不同的和分散的智能对象间的实时通信和互动，包括自动流量管理系统和自动驾驶汽车到智能电网管理。

　　以自动流量管理为例。1588可以为与公路和铁路互连的流量管理系统提供可视性和动态控制，允许运营商基于客流量灵活调整时刻表。同样，在自动驾驶汽车领域内，1588可以提供道路实时流量和拥塞数据，与自主车辆通信，以实现畅顺的交通流量。

　　纵观智能电网，公用事业公司可以使用1588来管理分散的能量供应源，如风力发电机或光伏系统。带有1588功能的智能电网也可让公用事业公司访问实时负载数据，并可以通过迅速控制商业、工业和住宅环境中已有的用电限制系统，帮助他们针对突发需求高峰稳定其电网。

　　

　　图1：物联网（IoT）基础设施将基于以太网，为高度分散的系统带来前所未有的实时可见性和控制能力，包括流量管理系统和智能公共电网，如上图所示。

　　展望未来，我们预计带有1588计时支持的芯片解决方案将得到更广泛的采用，以满足这些严格的精度要求，以及物联网环境的特定需求，如更小的尺寸和低功耗，并支持扩展的温度范围。