前言：

　　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)絡通信相關聯(lián)。憑借其提供連接物體的實時可見性和控制能力，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡注定將給我們的生活帶來無與倫比的透明度和效率。

　　工業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)的重要應用領域。基于物聯(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)絡也隨之不斷地發(fā)展與完善。目前，雖然專有的通信協(xié)議已在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的網(wǎng)絡通信中長期占據(jù)主導地位，但日益提高的聯(lián)網(wǎng)能力和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的高帶寬需求，已使以太網(wǎng)成為了取代傳統(tǒng)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)絡通信技術。近年來，由于國際現(xiàn)場總線技術標準化工作沒有達到人們理想中的結果，以太網(wǎng)及TCP/IP技術逐步在工業(yè)自動化中得到應用，并發(fā)展成為一種技術潮流。

　　以太網(wǎng)在工業(yè)自動化中的應用應該區(qū)分為兩個方面問題，或者說兩個層次的問題。一是工廠自動化技術與IT技術結合，與互連網(wǎng)Internet技術結合，成為未來可能的制造業(yè)電子商務技術、網(wǎng)絡制造技術雛形。大多數(shù)專家們對自動化技術這種發(fā)展趨勢給予肯定的評價。另一個方面，即以太網(wǎng)能否在工業(yè)過程控制底層，也就是設備層或稱為現(xiàn)場層廣泛應用？ 能否成為甚至取代現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術成為統(tǒng)一的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡標準？這些問題實為目前自動化行業(yè)專家們爭論的熱點。

　　為了充分滿足這些需求，下一代以太網(wǎng)技術必須發(fā)展演進，并為以下三項關鍵功能提供原生支持：

　　1） 可靠性和確定性性能

　　2） 精確的授時和同步

　　3） 安全性

　　我們將關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)應對未來工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡將面臨的一些主要挑戰(zhàn)。

　　一個風險游戲：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡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(shù)據(jù)采集、記錄和分析不斷且實時發(fā)生。利用能夠比人類更快地處理任務的系統(tǒng)，在無需人工干預的情況下，可靠和安全地運行是至關重要。例如，倉庫中物料搬運設備 可感知沿著傳送帶移動的包裹。它通過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險。

　　現(xiàn)在想象一下一個監(jiān)控一座核電站結構性健康的網(wǎng)絡。錯誤檢測和可靠性承擔著更高的代價，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)絡有嚴格的性能和可靠性要求，包括：

　　（1）容錯能力

　　（2）安全

　　（3）低延遲

　　（4）低功耗

　　無處不在的覆蓋

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡加速其向以太網(wǎng)的過渡，它們可以利用由城域以太網(wǎng)論壇（Metro Ethernet Forum，MEF）所定義的、標準化的、電信級的服務定義來確定“電信級以太網(wǎng)”。這些標準尤其重要，因為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡不可能承擔在網(wǎng)絡性能、穩(wěn)定性或服務可靠性等方面的妥協(xié)。我們將看到，隨著更多的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡采用以太網(wǎng)，它們將尋求部署高性價比的、電信級的設備，以滿足這些實時需要的、高性能的聯(lián)網(wǎng)服務。

　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、云計算和物聯(lián)網(wǎng)應用的先進服務的創(chuàng)建和交付。

　　授時和同步對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡至關重要

　　IEEE 1588v2精密時間協(xié)議（1588或PTP）將在包括有線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡在內的、各種下一代網(wǎng)絡中起到舉足輕重的作用。起源于工業(yè)自動化領域的1588能夠非常準確地授時，可為實時應用提供精確的計時時間（time-of-day，ToD）信息，以及時間戳輸入、調度和同步輸出。這種能力將最大限度地減少了傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡的性能限制，如“響應時間抖動”等，支持共同完成時間敏感任務的那些完全不同的和分散的智能對象間的實時通信和互動，包括自動流量管理系統(tǒng)和自動駕駛汽車到智能電網(wǎng)管理。

　　以自動流量管理為例。1588可以為與公路和鐵路互連的流量管理系統(tǒng)提供可視性和動態(tài)控制，允許運營商基于客流量靈活調整時刻表。同樣，在自動駕駛汽車領域內，1588可以提供道路實時流量和擁塞數(shù)據(jù)，與自主車輛通信，以實現(xiàn)暢順的交通流量。

　　縱觀智能電網(wǎng)，公用事業(yè)公司可以使用1588來管理分散的能量供應源，如風力發(fā)電機或光伏系統(tǒng)。帶有1588功能的智能電網(wǎng)也可讓公用事業(yè)公司訪問實時負載數(shù)據(jù)，并可以通過迅速控制商業(yè)、工業(yè)和住宅環(huán)境中已有的用電限制系統(tǒng)，幫助他們針對突發(fā)需求高峰穩(wěn)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(tǒng)帶來前所未有的實時可見性和控制能力，包括流量管理系統(tǒng)和智能公共電網(wǎng)，如上圖所示。

　　展望未來，我們預計帶有1588計時支持的芯片解決方案將得到更廣泛的采用，以滿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)絡至關重要

　　有關信息安全和保護商業(yè)，工業(yè)基礎設施免受網(wǎng)絡攻擊的意識正在提高。由于以前的封閉物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡和智能設備現(xiàn)在要連接到外部世界，準備就緒堅實可靠的安全策略勢在必行。雖然存在眾多的網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)安全模型，我們在本領域內關注的重點仍是加密功能，因為它是保證網(wǎng)絡安全連接的最有效手段之一。

　　今天常用的一種基于網(wǎng)絡的安全協(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)絡中很好地工作。然而，因為它通常需要嵌入式或專用的獨立加密引擎，實現(xiàn)起來成本很高。

　　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IEEE 802.1AE“MACSec”安全標準，它與“KeySec”認證密鑰協(xié)商協(xié)議l 802.1af共同使用。雖然今天沒有被廣泛采用，但由于其在L2層可簡便而高性價比地實現(xiàn)，它提供了一個更簡單、更高效、可擴展的選擇。

　　像其他基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡一樣，保護其多個接入點的強大加密功能將對物聯(lián)網(wǎng)至關重要。由于任何帶有一個IP地址的設備理論上都是脆弱的，連接的“東西”越多，對黑客們可訪問點的數(shù)量就越大。隨著物聯(lián)網(wǎng)和我們的互聯(lián)世界進一步擴展，任何從工廠網(wǎng)絡到單臺家用電器的東西都將被包括在預計的750億個物聯(lián)網(wǎng)連接之中，使得可擴展的、高性價比的安全技術變得更為關鍵。

　　幸運的是，美國國家標準與技術研究所（NIST）創(chuàng)建了一套最佳實踐，它已成為保護系統(tǒng)免受網(wǎng)絡攻擊的事實標準。我們有望看到，通過遵循下面這些原 則，如NIST的FIPS 197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，我們可以進一步預計“安全的1588”系列技術 ——即加密方法不會影響網(wǎng)絡時同——對于這些網(wǎng)絡實現(xiàn)長期成功舉足輕重。

　　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)領域擁有得天獨厚的優(yōu)勢。

　　（1）Ethernet是全開放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡，遵照網(wǎng)絡協(xié)議不同廠商的設備可以很容易實現(xiàn)互聯(lián)。

　　（2）以太網(wǎng)能實現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡與企業(yè)信息網(wǎng)絡的無縫連接，形成企業(yè)級管控一體化的全開放網(wǎng)絡。

　　（3）軟硬件成本低廉，由于以太網(wǎng)技術已經(jīng)非常成熟，支持以太網(wǎng)的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設備供用戶選擇。

　　（4）通信速率高，隨著企業(yè)信息系統(tǒng)規(guī)模的擴大和復雜程度的提高，對信息量的需求也越來越大，有時 甚至需要音頻、視頻數(shù)據(jù)的傳輸，目前以太網(wǎng)的通信速率為10M、100M 的快速以太網(wǎng)開始廣泛應用，千兆以太網(wǎng)技術也逐漸成熟，10G以太網(wǎng)也正在研究，其速率比目前的現(xiàn)場總線快很多。

　　（5）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ螅谶@信息瞬息萬變的時代。企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網(wǎng)絡，信息技術與通信技術的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網(wǎng)技術不斷地持續(xù)向前發(fā)展。

　　工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展前景

　　以太網(wǎng)隨著技術的成熟，交換技術的應用，高速以太網(wǎng)的發(fā)展等在工業(yè)自動化領域上正迅速增長，幾乎所有的 現(xiàn)場總線系統(tǒng)最終可以都連接到以太網(wǎng)。隨著集成電路的發(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時嵌入式操 作系統(tǒng)使控制器易于實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，以太網(wǎng)絡更易于接近現(xiàn)場。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡發(fā)展的主要方向，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α＿^程控制工業(yè)和 自動化工業(yè)，從嵌入式系統(tǒng)到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，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)絡協(xié)議，它將成為過程級和控制級的主要傳輸技術。帶TCP/ IP 協(xié)議的

　　標準的以太網(wǎng)接口現(xiàn)在已經(jīng)在智能設備和I/ O 模塊中使用。它能夠與工廠信息管理系統(tǒng)進行直接地、無縫地連接，而無需任何專用設備。因此可以說，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)通訊網(wǎng)絡中的使用將構建從底層的現(xiàn)場設 備到先進與優(yōu)化控制層、企業(yè)管理決策層的綜合自動化網(wǎng)絡平臺，從而可以消除企業(yè)內部的各種自動化孤島。以太網(wǎng)作為21 世紀未來工業(yè)網(wǎng)絡的首選，它將在控制和現(xiàn)場設備級成為標準的高速工業(yè)網(wǎng)絡，有著廣闊的應用和發(fā)展前景。

　　工業(yè)以太網(wǎng)技術直接應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間的通信已成大勢所趨。

　　結論

　　毫無疑問，以太網(wǎng)只會隨著互聯(lián)網(wǎng)技術和工業(yè)需求的飛速提高進一步融入工業(yè)領域，促進工業(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，同時充滿機遇與挑戰(zhàn)的道路，無論如何，我們會看到，在以太網(wǎng)演進成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡基礎的過程中，只要把握好確定性、同步性和安全性這三項要求，在不久的未來我們將看到一場眾望所歸的“工業(yè)革命風暴”。