工業物聯網(IIoT)有望開創一個由高度智慧化且極度互連的設備和基礎設施所構成的世界,其中的製造機台、交通運輸系統和電網配備了各種嵌入式感測、處理、控制、分析功能。

一旦全部連接在一起,就會形成智慧型系統體系(System of Systems),有助於在整個企業上下或透過雲端共用裝置資料。這些系統會產生龐大無比的資料量,例如倫敦地下鐵系統維多利亞線的狀態監控解決方案,每天會產生32TB的資料。接著再透過巨量類比資料分析與處理作業,驅動明智的商務決策,最終提升安全性、運作時間和運作效率。

雖然這些未經處理的原始資料大部分都不是很緊急,可以在網路層和子系統之間傳輸,不太需要考慮到延遲或同步問題,但高時效性的重要資料必須根據嚴格的延遲和穩定性規範,完成資料傳輸和共用作業。其中包含重要的控制和故障偵測資料,不管其他網路的傳輸狀況如何,都必須立即處理、共用這些資料,並且採取相關行動。

目前大部份的網路基礎設施尚無法處理這類高時效性資料。很多工業系統和網路都是根據「普渡控制層級模型」(Purdue Model for Control Hierarchy)設計而成的,其中建立了許多精密的匯流排層級,經過最佳化後可滿足特定的工作需求。每個匯流排層級具有不同的延遲、頻寬和服務品質,因此難以互通,而且幾乎無法即時傳輸重要資料。此外,現在的專用衍生乙太網路頻寬有限,還得為此而調整硬體。

為了支援IIoT基礎設施的新功能,設計人員和最終使用者都需要透過既穩定又安全的方式,在遠端存取智慧型邊緣裝置。網路技術必須持續演進,才能滿足新一代的工業系統需求,並且徹底改良機台、電網與交通運輸系統的運作方式。

TSN:就是現在

現有的IT網路是根據IEEE 802標準定義而成的,這一系列的標準明訂了不同的乙太網路層和功能需求,並且確保裝置之間的互通性。目前有許多工業供應商、IT廠商和晶片供應商加入了IEEE 802和新成立的AVnu聯盟,合作更新標準乙太網路協定,並且針對IIoT應用的高時效性資料制定了低延遲資料傳輸標準。 這項新標準稱為時效性網路(Time-Sensitive Networking,TSN),可克服現有網路的缺陷。AVnu聯盟則是和Broadcom、Cisco、Intel、NI等成員企業合作,希望透過認證來催生可互通的生態系統,就像是Wi-Fi聯盟提供認證給符合IEEE 802.11標準的產品與裝置那樣。 相較於現有的標準和專用乙太網路協定,全新的TSN標準可帶來無數好處,例如:

頻寬:機器視覺、3D掃描和電力分析等進階的感測應用會產生大量資料,進一步造成網路頻寬資源緊繃。專用的衍生乙太網路通常用於工業控制,而且受限於100Mb頻寬和半雙工通訊。TSN會納入標準的乙太網路速率(目前使用中的1Gb、10Gb、400Gb),並且支援全雙工通訊。

安全性:目前所使用的初階現場匯流排大多會透過氣隙(Air Gap)和隱匿(Obscurity)方式來保障安全。這點其實是受到汽車產業的影響:具備氣隙的封閉式CAN網路負責傳輸所有的控制和運作資料。然而,近期的安全漏洞證實了控制基礎設施的底層也需要安全措施。TSN可保護關鍵的控制傳輸作業,並且納入頂層的IT安全規範。分段、效能保護和時間組合功能(Temporal Composability)還可替安全框架增加更多保護層。

互通性:TSN採用標準的乙太網路元件,可順暢整合現有的棕地應用程式(Brownfield Application)和標準的IT傳輸作業,藉此提高易用性。此外,TSN繼承了許多現有乙太網路的特性,例如HTTP介面和網路服務,因此促成了IIoT系統所需的遠端診斷、顯示和維修功能。另外還有一個優勢:只要使用標準的乙太網路晶片組,也就是大量生產的商用晶片,即可壓低元件成本,相較於專用乙太網路採用產量低的ASIC架構晶片,這個優勢更為明顯。

延遲和同步:TSN會優先處理快速系統回應與閉迴路控制應用所需的低延遲通訊作業;而且TSN可達到將近數十微秒的精準傳輸時間,以及數十毫微秒的節點時間同步效能。為了確保穩定達成這樣的高時效傳輸效能,TSN可透過自動化設定提供高穩定性的資料路徑,藉由封包複製和合併完成路徑備援,而且不會遺失任何資料。

可預見的未來

隨著IIoT持續普及,資料量越來越多、網路分佈越來越廣,因此需要新的標準以便共用並傳輸關鍵資訊。就像是緊急情況下,其他車輛都得讓道給救護車和消防車,TSN標準確保了高時效性的重要資料可以透過標準網路基礎設施準時傳送出去。IIoT時代已經來臨,歡迎加入高速生活圈。

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標準IT整合時效性資料,連結裝置與企業
(來源:NI)