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升级网络标准　迎接工业物联网

2017-03-17 17:43:12

工业物联网(IIoT)有望首创1个由高度智慧化且极度互连的装备和基础设施所构成的世界，其中的制造机台、交通运输系统和电网配备了各种嵌入式感测、处理、控制、分析功能。

1旦全部连接在1起，就会构成智慧型系统体系(System of Systems)，有助于在全部企业上下或透过云端共用装置资料。这些系统会产生庞大非常的资料量，例如伦敦地下铁系统维多利亚线的状态监控解决方案，每天会产生32TB的资料。接着再透过巨量类比资料分析与处理作业，驱动明智的商务决策，终究提升安全性、运作时间和运作效力。

虽然这些未经处理的原始资料大部份都不是很紧急，可以在网路层和子系统之间传输，不太需要斟酌到延迟或同步问题，但高时效性的重要资料必须根据严格的延迟和稳定性规范，完成资料传输和共用作业。其中包括重要的控制和故障侦测资料，不管其他网路的传输状态如何，都必须立即处理、共用这些资料，并且采取相干行动。

目前大部分的网路基础设施还没有法处理这类高时效性资料。很多工业系统和网路都是根据“普渡控制层级模型”(Purdue Model for Control Hierarchy)设计而成的，其中建立了许多精密的汇流排层级，经过最好化后可满足特定的工作需求。每一个汇流排层级具有不同的延迟、频宽和服务品质，因此难以互通，而且几近没法即时传输重要资料。另外，现在的专用衍生乙太网路频宽有限，还得为此而调剂硬体。

为了支援IIoT基础设施的新功能，设计人员和终究使用者都需要透过既稳定又安全的方式，在远端存取智慧型边沿装置。网路技术必须延续演进，才能满足新1代的工业系统需求，并且完全改进机台、电网与交通运输系统的运作方式。

TSN：就是现在

现有的IT网路是根据IEEE 802标准定义而成的，这1系列的标准明订了不同的乙太网路层和功能需求，并且确保装置之间的互通性。目前有许多工业供应商、IT厂商和晶片供应商加入了IEEE 802和新成立的AVnu同盟，合作更新标准乙太网路协议，并且针对IIoT利用的高时效性资料制定了低延迟资料传输标准。

这项新标准称为时效性网路(Time-Sensitive Networking，TSN)，可克服现有网路的缺点。AVnu同盟则是和Broadcom、Cisco、Intel、NI等成员企业合作，希望透过认证来催生可互通的生态系统，就像是Wi-Fi同盟提供认证给符合IEEE 802.11标准的产品与装置那样。

相较于现有的标准和专用乙太网路协议，全新的TSN标准可带来无数好处，例如：

频宽：机器视觉、3D扫描和电力分析等进阶的感测利用会产生大量资料，进1步造成网路频宽资源紧绷。专用的衍生乙太网路通经常使用于工业控制，而且受限于100Mb频宽和半双工通讯。TSN会纳入标准的乙太网路速率(目前使用中的1Gb、10Gb、400Gb)，并且支援全双工通讯。

安全性：目前所使用的初阶现场汇流排大多会透过气隙(Air Gap)和藏匿(Obscurity)方式来保障安全。这点实际上是遭到汽车产业的影响：具有气隙的封闭式CAN网路负责传输所有的控制和运作资料。但是，近期的安全漏洞证实了控制基础设施的底层也需要安全措施。TSN可保护关键的控制传输作业，并且纳入顶层的IT安全规范。分段、效能保护和时间组合功能(Temporal Composability)还可替安全框架增加更多保护层。

互通性：TSN采取标准的乙太网路元件，可顺畅整合现有的棕地利用程式(Brownfield Application)和标准的IT传输作业，藉此提高易用性。另外，TSN继承了许多现有乙太网路的特性，例如HTTP介面和网路服务，因此促进了IIoT系统所需的远端诊断、显示和维修功能。另外还有1个优势：只要使用标准的乙太网路晶片组，也就是大量生产的商用晶片，便可压低元件本钱，相较于专用乙太网路采取产量低的ASIC架构晶片，这个优势更加明显。

延迟和同步：TSN会优先处理快速系统回应与闭回路控制利用所需的低延迟通讯作业；而且TSN可到达将近数10微秒的精准传输时间，和数10毫微秒的节点时间同步效能。为了确保稳定达成这样的高时效传输效能，TSN可透过自动化设定提供高稳定性的资料路径，藉由封包复制和合并完成路径备援，而且不会遗失任何资料。

可预感的未来

随着IIoT延续普及，资料量愈来愈多、网路散布愈来愈广，因此需要新的标准以便共用并传输关键资讯。就像是紧急情况下，其他车辆都得让道给救护车和消防车，TSN标准确保了高时效性的重要资料可以透过标准网路基础设施准时传送出去。IIoT时期已来临，欢迎加入高速生活圈。

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