作者：Eric Starkloff，NI全球銷售和市場行銷執(zhí)行副總裁

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)有望開創(chuàng)一個由高度智慧化且極度互連的設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施所構(gòu)成的世界，其中的制造機(jī)臺、交通運(yùn)輸系統(tǒng)和電網(wǎng)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(tǒng)體系(System of Systems)，有助于在整個企業(yè)上下或透過云端共用裝置資料。這些系統(tǒng)會產(chǎn)生龐大無比的資料量，例如倫敦地下鐵系統(tǒng)維多利亞線的狀態(tài)監(jiān)控解決方案，每天會產(chǎn)生32TB的資料。接著再透過巨量類比資料分析與處理作業(yè)，驅(qū)動明智的商務(wù)決策，最終提升安全性、運(yùn)作時間和運(yùn)作效率。

雖然這些未經(jīng)處理的原始資料大部分都不是很緊急，可以在網(wǎng)路層和子系統(tǒng)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(jù)嚴(yán)格的延遲和穩(wěn)定性規(guī)范，完成資料傳輸和共用作業(yè)。其中包含重要的控制和故障偵測資料，不管其他網(wǎng)路的傳輸狀況如何，都必須立即處理、共用這些資料，并且采取相關(guān)行動。

目前大部份的網(wǎng)路基礎(chǔ)設(shè)施尚無法處理這類高時效性資料。很多工業(yè)系統(tǒng)和網(wǎng)路都是根據(jù)“普渡控制層級模型”(Purdue Model for Control Hierarchy)設(shè)計而成的，其中建立了許多精密的匯流排層級，經(jīng)過最佳化后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(wù)品質(zhì)，因此難以互通，而且?guī)缀鯚o法即時傳輸重要資料。此外，現(xiàn)在的專用衍生乙太網(wǎng)路頻寬有限，還得為此而調(diào)整硬體。

為了支援IIoT基礎(chǔ)設(shè)施的新功能，設(shè)計人員和最終使用者都需要透過既穩(wěn)定又安全的方式，在遠(yuǎn)端存取智慧型邊緣裝置。網(wǎng)路技術(shù)必須持續(xù)演進(jìn)，才能滿足新一代的工業(yè)系統(tǒng)需求，并且徹底改良機(jī)臺、電網(wǎng)與交通運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)作方式。

TSN：就是現(xiàn)在

現(xiàn)有的IT網(wǎng)路是根據(jù)IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)定義而成的，這一系列的標(biāo)準(zhǔn)明訂了不同的乙太網(wǎng)路層和功能需求，并且確保裝置之間的互通性。目前有許多工業(yè)供應(yīng)商、IT廠商和晶片供應(yīng)商加入了IEEE 802和新成立的AVnu聯(lián)盟，合作更新標(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)路協(xié)定，并且針對IIoT應(yīng)用的高時效性資料制定了低延遲資料傳輸標(biāo)準(zhǔn)。

這項新標(biāo)準(zhǔn)稱為時效性網(wǎng)路(Time-Sensitive Networking，TSN)，可克服現(xiàn)有網(wǎng)路的缺陷。AVnu聯(lián)盟則是和Broadcom、Cisco、Intel、NI等成員企業(yè)合作，希望透過認(rèn)證來催生可互通的生態(tài)系統(tǒng)，就像是Wi-Fi聯(lián)盟提供認(rèn)證給符合IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品與裝置那樣。

相較于現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和專用乙太網(wǎng)路協(xié)定，全新的TSN標(biāo)準(zhǔn)可帶來無數(shù)好處，例如：

頻寬：機(jī)器視覺、3D掃描和電力分析等進(jìn)階的感測應(yīng)用會產(chǎn)生大量資料，進(jìn)一步造成網(wǎng)路頻寬資源緊繃。專用的衍生乙太網(wǎng)路通常用于工業(yè)控制，而且受限于100Mb頻寬和半雙工通訊。TSN會納入標(biāo)準(zhǔn)的乙太網(wǎng)路速率(目前使用中的1Gb、10Gb、400Gb)，并且支援全雙工通訊。

安全性：目前所使用的初階現(xiàn)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(chǎn)業(yè)的影響：具備氣隙的封閉式CAN網(wǎng)路負(fù)責(zé)傳輸所有的控制和運(yùn)作資料。然而，近期的安全漏洞證實了控制基礎(chǔ)設(shè)施的底層也需要安全措施。TSN可保護(hù)關(guān)鍵的控制傳輸作業(yè)，并且納入頂層的IT安全規(guī)范。分段、效能保護(hù)和時間組合功能(Temporal Composability)還可替安全框架增加更多保護(hù)層。

互通性：TSN采用標(biāo)準(zhǔn)的乙太網(wǎng)路元件，可順暢整合現(xiàn)有的棕地應(yīng)用程式(Brownfield Application)和標(biāo)準(zhǔn)的IT傳輸作業(yè)，藉此提高易用性。此外，TSN繼承了許多現(xiàn)有乙太網(wǎng)路的特性，例如HTTP介面和網(wǎng)路服務(wù)，因此促成了IIoT系統(tǒng)所需的遠(yuǎn)端診斷、顯示和維修功能。另外還有一個優(yōu)勢：只要使用標(biāo)準(zhǔn)的乙太網(wǎng)路晶片組，也就是大量生產(chǎn)的商用晶片，即可壓低元件成本，相較于專用乙太網(wǎng)路采用產(chǎn)量低的ASIC架構(gòu)晶片，這個優(yōu)勢更為明顯。

延遲和同步：TSN會優(yōu)先處理快速系統(tǒng)回應(yīng)與閉回路控制應(yīng)用所需的低延遲通訊作業(yè)；而且TSN可達(dá)到將近數(shù)十微秒的精準(zhǔn)傳輸時間，以及數(shù)十毫微秒的節(jié)點時間同步效能。為了確保穩(wěn)定達(dá)成這樣的高時效傳輸效能，TSN可透過自動化設(shè)定提供高穩(wěn)定性的資料路徑，藉由封包復(fù)制和合并完成路徑備援，而且不會遺失任何資料。

可預(yù)見的未來

隨著IIoT持續(xù)普及，資料量越來越多、網(wǎng)路分布越來越廣，因此需要新的標(biāo)準(zhǔn)以便共用并傳輸關(guān)鍵資訊。就像是緊急情況下，其他車輛都得讓道給救護(hù)車和消防車，TSN標(biāo)準(zhǔn)確保了高時效性的重要資料可以透過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)路基礎(chǔ)設(shè)施準(zhǔn)時傳送出去。IIoT時代已經(jīng)來臨，歡迎加入高速生活圈。