行業(yè)組織針對(duì)運(yùn)營(yíng)型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)推進(jìn)以太網(wǎng)發(fā)展

Michael Cooney 沈建苗

隨著基于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，兩個(gè)行業(yè)組織最近宣布計(jì)劃將以太網(wǎng)提升到另一個(gè)水平——將該技術(shù)擴(kuò)展到對(duì)時(shí)間敏感的運(yùn)營(yíng)型無(wú)線通信應(yīng)用環(huán)境中。

近日，以太網(wǎng)聯(lián)盟表示，它在竭力將更快速更簡(jiǎn)單的通信引入到通常出現(xiàn)在建筑和工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境的運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）網(wǎng)絡(luò)中。以太網(wǎng)聯(lián)盟旗下有眾多的通信廠商，包括博通、思科、戴爾、瞻博、英特爾以及諸多大學(xué)和行業(yè)成員。

該行業(yè)組織聚焦的一項(xiàng)技術(shù)最近成為標(biāo)準(zhǔn)的IEEE規(guī)范：802.3cg，該規(guī)范定義了在許多情況下使用的單對(duì)雙絞線以太網(wǎng)（SPE），而不是眾多的現(xiàn)場(chǎng)總線電纜，比如RS 485雙絞線、RG 6同軸電纜和儀表電纜等。

基于雙絞線的以太網(wǎng)

OT網(wǎng)絡(luò)過(guò)去與基于以太網(wǎng)的IT網(wǎng)絡(luò)隔離開來(lái)，“雖然這些網(wǎng)絡(luò)如今在高效運(yùn)營(yíng)，但使用過(guò)時(shí)的不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它們速度慢，通常只有31.2kb/s，而且需要轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)才能將必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)。SPE是專門為解決OT網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的，”以太網(wǎng)聯(lián)盟主席、思科的杰出工程師Peter Jones如是說(shuō)。

他說(shuō)：“2020年2月發(fā)布的IEEE 802.3cg規(guī)范是我們一直為OT網(wǎng)絡(luò)所制定的標(biāo)準(zhǔn)。”該聯(lián)盟希望幫助運(yùn)用這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)以提升OT網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值，并改善業(yè)務(wù)成果。最終目標(biāo)是，面向整個(gè)企業(yè)的單協(xié)議網(wǎng)絡(luò)同時(shí)滿足IT和OT的需求?！斑@兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的融合是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0目標(biāo)的關(guān)鍵。”

在制定“cg”標(biāo)準(zhǔn)期間，IEEE 802.3cg特別工作組密切關(guān)注OT網(wǎng)絡(luò)的需求。許多專有的實(shí)現(xiàn)都有共同元素。大多數(shù)與RS-485電氣兼容，有兩種主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，共享公共的物理層：雙絞線電纜。SPE小組委員會(huì)主席、泛達(dá)公司（Panduit）的高級(jí)首席工程師Bob Voss表示，SPE充分利用這些共同元素來(lái)創(chuàng)建一種采用以太網(wǎng)及其所有優(yōu)點(diǎn)的方法，無(wú)需“重新發(fā)明輪子”。

“SPE讓用戶可以以他們熟知的最有效的方式來(lái)構(gòu)建OT網(wǎng)絡(luò)所服務(wù)的設(shè)施; SPE旨在支持經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，甚至使用相似的物理層。許多SPE專家認(rèn)為，如果電纜狀況良好，可以重用當(dāng)前OT網(wǎng)絡(luò)的物理層元素?！?/p>

過(guò)去，將以太網(wǎng)應(yīng)用于OT網(wǎng)絡(luò)需要調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，以便與常規(guī)的BASE-T以太網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行。這很有效，但是帶來(lái)了障礙，因而限制了采用。Voss表示，SPE消除了這些障礙。

Voss說(shuō)：“此外，目前專有OT協(xié)議存在的問(wèn)題之一是迫在眉睫的技能缺口。支持這些重要網(wǎng)絡(luò)的部落知識(shí)留存在已到退休年齡員工的頭腦中。這帶來(lái)了巨大的業(yè)務(wù)連續(xù)性風(fēng)險(xiǎn)。而且，由于公司企業(yè)希望利用更智能的建筑物來(lái)打造更愉悅、更高效的工作場(chǎng)所，因此需要OT網(wǎng)絡(luò)擁有更高級(jí)的功能，而以太網(wǎng)是關(guān)鍵的賦能因素?！?h3>基于無(wú)線的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)

在不受電纜束縛的世界，方興未艾的5G和802.11已引起人們對(duì)通過(guò)無(wú)線擴(kuò)展以太網(wǎng)的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)產(chǎn)生了興趣。

融合無(wú)線和以太網(wǎng)TSN的動(dòng)力來(lái)自Avnu聯(lián)盟，該聯(lián)盟表示其成員包括超過(guò)95%的以太網(wǎng)硅片供應(yīng)商以及汽車行業(yè)和視聽(tīng)系統(tǒng)供應(yīng)商。其成員包括思科、英特爾、博士、博世和極進(jìn)網(wǎng)絡(luò)。Avnu聯(lián)盟定義了互操作性需求，并且是TSN的證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)（為可互操作產(chǎn)品授予證書）。該聯(lián)盟對(duì)產(chǎn)品并不進(jìn)行實(shí)際的物理測(cè)試，這項(xiàng)工作由多家注冊(cè)的測(cè)試機(jī)構(gòu)來(lái)處理。比如說(shuō)，新罕布什爾大學(xué)互操作性實(shí)驗(yàn)室就是一家注冊(cè)的測(cè)試機(jī)構(gòu)。

Avnu聯(lián)盟無(wú)線TSN工作組組長(zhǎng)兼英特爾首席工程師Dave Cavalcanti表示，TSN是IEEE 802.1 TSN工作組開發(fā)的一組標(biāo)準(zhǔn)，該工作組定義了一套新的機(jī)制，用于為與其他類型的盡力而為應(yīng)用共享的局域網(wǎng)（LAN）中的時(shí)間敏感數(shù)據(jù)提供時(shí)間同步和時(shí)效性（確定性的數(shù)據(jù)傳輸）。

TSN標(biāo)準(zhǔn)為基于802的局域網(wǎng)定義了新功能，比如流量整形、幀搶占、流量調(diào)度、入口限速和無(wú)縫冗余。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的所有部分都以相同的參考時(shí)間運(yùn)行時(shí)，可以根據(jù)時(shí)間感知表來(lái)協(xié)調(diào)流量，這種方法可以為注重時(shí)間的流量更有效地控制延遲。Cavalcanti表示，這些新功能為管理以太網(wǎng)上的流量提供了一個(gè)全新的控制層。

據(jù)Cavalcanti聲稱，在過(guò)去三、五年，IEEE 802.1 TSN標(biāo)準(zhǔn)已得到長(zhǎng)足的發(fā)展，在工業(yè)市場(chǎng)更是如此。

使用TSN的無(wú)線通信不僅實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)性，還很靈活，降低了布線成本。 Cavalcanti說(shuō)：“比如說(shuō)，無(wú)線TSN功能使制造商能夠輕松地重新配置工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)，并優(yōu)化移動(dòng)機(jī)器人和自動(dòng)導(dǎo)引車的路線安排和利用?！惫I(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和移動(dòng)機(jī)器人之所以是兩個(gè)重要的使用場(chǎng)景，是由于無(wú)線對(duì)于任務(wù)和路線的移動(dòng)性、靈活性以及可重新配置性至關(guān)重要。

Cavalcanti說(shuō)：“電力電網(wǎng)系統(tǒng)是無(wú)線TSN的另一個(gè)值得關(guān)注的使用場(chǎng)景，因?yàn)檫@種系統(tǒng)的覆蓋范圍大不相同，有的是本地環(huán)境（比如變電站），有的是廣域環(huán)境（分布和傳輸）。工業(yè)控制系統(tǒng)還能得益于無(wú)線連接，但是它們需要最高級(jí)的確定性和可靠性，而且完全依賴基于無(wú)線鏈路的時(shí)間感知（IEEE 802.1Qbv）調(diào)度?！?/p>

實(shí)施無(wú)線TSN擴(kuò)展存在著一些挑戰(zhàn)。

說(shuō)到無(wú)線TSN擴(kuò)展，干擾通常是要考慮的首要問(wèn)題。Cavalcanti表示，容易受到惡意干擾也常常是一大問(wèn)題?！半m然需要考慮每種特定無(wú)線部署和應(yīng)用中威脅的大小，但重要的是，讓工具能夠減小無(wú)線TSN域中的干擾（無(wú)論是否有害）造成的潛在影響。由于TSN基于以太網(wǎng)和無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.11/Wi-Fi和5G），因此網(wǎng)絡(luò)可以充分利用針對(duì)以太網(wǎng)、802.11和3GPP系統(tǒng)開發(fā)的安全最佳實(shí)踐和標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>

還可以利用精確定時(shí)機(jī)制，為TSN添加另一層安全機(jī)制，便于及早發(fā)現(xiàn)IEEE 802.1Qci規(guī)范中定義的網(wǎng)絡(luò)泄密。802.1Qci功能可識(shí)別時(shí)間敏感的數(shù)據(jù)流，并使用定時(shí)和調(diào)度信息來(lái)接受或丟棄數(shù)據(jù)包。正確的數(shù)據(jù)包須在正確的端口上在正確的時(shí)間窗口內(nèi)到達(dá)才可以被接受。Cavalcanti表示，這項(xiàng)功能還需要擴(kuò)展到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上。

Cavalcanti說(shuō)：“最后，并不是每一項(xiàng)無(wú)線技術(shù)目前都能（或都會(huì)）支持TSN功能。比如說(shuō)，考慮到Wi-Fi和5G中目前和即將出現(xiàn)的無(wú)線功能，需要大范圍高速移動(dòng)的使用場(chǎng)合對(duì)于無(wú)線TSN級(jí)的性能而言尚未被認(rèn)為是切實(shí)可行的?！?/p>

TSN是利用底層數(shù)據(jù)通信技術(shù)（比如以太網(wǎng)、802.11/ Wi-Fi和最終的5G）的網(wǎng)絡(luò)層。正因?yàn)槿绱?，可以將TSN視為跨異構(gòu)連接技術(shù)運(yùn)行的統(tǒng)一層，還有可能整合異構(gòu)連接技術(shù)。Cavalcanti表示，TSN的作用就是確保端到端數(shù)據(jù)分發(fā)，并輔以確定性?！懊糠N單獨(dú)的連接技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)各自的功能來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)TSN目標(biāo)，但是TSN的應(yīng)用范圍比任何特定的連接技術(shù)都來(lái)得廣泛?！?/p>

盡管業(yè)界其他組織有了發(fā)展勢(shì)頭，并取得了進(jìn)展，但仍需要做更多的工作才能將無(wú)線TSN功能推向市場(chǎng)。Cavalcanti表示，比如說(shuō)，仍然需要開發(fā)專門針對(duì)無(wú)線的TSN配置接口、參數(shù)和測(cè)試程序?！斑@就是為什么我們?cè)贏vnu聯(lián)盟內(nèi)部組建了無(wú)線TSN工作組。WTSN工作組的工作表明，及早開始討論面向有線和無(wú)線技術(shù)的一致性TSN接口、互操作性測(cè)試以及認(rèn)證工作等話題，并且保持步調(diào)一致很重要。”

本文作者M(jìn)ichael Cooney是Network World的高級(jí)編輯，撰寫IT文章的經(jīng)驗(yàn)超過(guò)了25年。

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