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物联网
2014/5/16 13:25

以太网无处不在:面向未来的工业物联网网络

C114中国通信网  

前瞻性政策研究所(Progressive Policy Institute)的首席经济分析师Michael Mandel将物联网描述为“互联网到物理世界的延伸。互联网已经改变了数字产业,而物联网将改变物理行业。”

750亿部,这是摩根士丹利预计的、到2020年可连接到物联网(IoT)设备的数量。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(如铁路控制或智能电网传感器)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。

目前大多数广域网(WAN)原本是一种局域网LAN)技术,所提供的全球性语音、视频和数据通信流量都基于以太网。以太网的通用性、高性能和低成本也使它为许多新兴应用的基本选择。它也越来越多地应用在各种公用事业、交通运输、工业和政府网络中。

图1:思科公司(Cisco)首席执行官预计,物联网(IoT)是一个19万亿美元的市场,预期到2020年连接到物联网的设备可达750亿台,或80亿人中的每一个人平均将拥有9.4台设备。

虽然专有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,目前已使以太网成为了阻力最小的升级途径。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物联网网络将面临的一些主要挑战。

一个风险游戏:物联网网络要求可靠性和确定性性能

在工业物联网、或者M2M通信应用中,采用的自治、对等(peer-to-peer)分布控制,远比任何消费性物联网或传统M2M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:

容错能力

安全

低延迟

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。

电信级以太网代系 电信级以太网1.0 电信级以太网2.0 未来的电信级以太网

特征 标准化 多CoS、可管理的、互连的

面向高效营运的三个服务级别(CoS)、FM及PM、多CoS及可管理的多种可提供服务 简化的、自动化的服务提供

服务 E-Line、E-LAN E-Line、E-LAN、E-Tree、E-Access

每一类两项服务 简化的、自动化的服务提供

移动回传 2G/3G迁移 4G MBH迁移、MBH优化

为移动运营商节省25%以上 简化的、自动化的服务提供

商业服务 城域、区域 本地、区域、全国、全球App、距离导向、私有云

来自当前部署基础设施的2倍或3倍收入 简化的、自动化的服务提供

服务打包 Pre-ENNI实现 买/卖接入服务

E-接入简化了批发服务包的购买和销售,有助于提供商以低成本轻松地进入到电信级以太网服务领域 简化的、自动化的服务提供

图2: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2。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3: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。(图片由SmartGRidTech提供)

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。

安全性对物联网网络至关重要

有关信息安全和保护商业和政府网络基础设施免受网络攻击的意识正在提高。由于以前的封闭物联网网络和智能设备现在要连接到外部世界,准备就绪坚实可靠的安全策略势在必行。虽然存在众多的网络和数据安全模型,我们在本领域内关注的重点仍是加密功能,因为它是保证网络安全连接的最有效手段之一。

今天常用的一种基于网络的安全协议是IPsec。IPsec运行在互联网协议层次结构的第3层(L3),它可在路由网络中很好地工作。然而,因为它通常需要嵌入式或专用的独立加密引擎,实现起来成本很高。

工作在互联网协议层次结构的第2层(L2)工作的另一种替代方案是IEEE 802.1AE“MACSec”安全标准,它与“KeySec”认证密钥协商协议l 802.1af共同使用。虽然今天没有被广泛采用,但由于其在L2层可简便而高性价比地实现,它提供了一个更简单、更高效、可扩展的选择。

像其他基于以太网的网络一样,保护其多个接入点的强大加密功能将对物联网至关重要。由于任何带有一个IP地址的设备理论上都是脆弱的,连接的“东西”越多,对黑客们可访问点的数量就越大。随着物联网和我们的互联世界进一步扩展,任何从工厂网络到单台家用电器的东西都将被包括在预计的750亿个物联网连接之中,使得可扩展的、高性价比的安全技术变得更为关键。

幸运的是,美国国家标准与技术研究所(NIST)创建了一套最佳实践,它已成为保护系统免受网络攻击的事实标准。我们有望看到,通过遵循下面这些原则,如NIST的FIPS 197中描述的AES加密,将成为基于以太网的物联网网络的基本最低要求。而且考虑到物联网的同步要求,我们可以进一步预计“安全的1588”系列技术——即加密方法不会影响网络时同——对于这些网络实现长期成功举足轻重。

结论

毫无疑问,以太网连接只会数量继续增长和变得多样化,特别是随着越来越多的智能“物体”连接到网络。但许多问题仍有待观察,因为这种已有40历史的网络技术正在不断发展,以服务于物联网的需求。无论如何,我们会看到,在以太网演进成为物联网网络的基础的过程中,确定性性能、同步和安全性这三项要求将发挥重要的作用。

作者简介

Martin Nuss是Vitesse半导体公司负责技术与战略的副总裁和首席技术官。Martin Nuss博士拥有超过20年的技术和管理经验,是公认的以太网技术行业专家,涉猎于公共和私有通信网络的时序与同步。Martin Nuss博士担任电信行业解决方案联盟(ATIS)董事,同时是美国光学学会资深会员和IEEE会员。他获得了德国慕尼黑理工大学应用物理学博士学位。

作者:Martin Nuss博士,Vitesse半导体公司首席技术官

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