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IIoT通訊工業網路白皮書
許元潔 .2018/10/16
摘要 工業網路聯盟(Industrial Internet Consortium, IIC)發布IIoT通訊工業網路白皮書(Industrial Networking Enabling IIoT Communication),針對不同部署情境提供技術上的建議。工業網路有別於企業網絡或消費者網絡。首先是資訊技術(IT)與營運技術(OT)的融合,進行工業網路部署時,除需考慮到該採用有線或無線網路、移動的支援能力、部署週期、實體環境條件、機器設備干擾、電力來源等因素,亦得設法達到各項技術需求,如:低網路延遲、輸出、可靠性、可用性等,網路的服務層級協議(Service Level Agreements, SLA)也需能符合各種不同工業應用的需求。
透過新穎的網絡技術,IIoT的應用變得更多樣化、靈活、智慧化與高效率,未來仍持續改進可靠性、安全性、精確(deterministic)傳輸與管理功能。為了滿足前述要求,需對IIoT網絡的各種設計因素進行評估,報告提出以下13項評估重點。
(一) 網絡架構:每項垂直領域都有不同的場景與網絡要求,有一些需要可靠的低延遲通訊,而另一些則需要低功率或遠程無線通訊。然而,這些不同的部門須能夠與通用網絡架構進行通訊,透過無所不在的連網(Ubiquitous Connectivity)將感測器連接至雲端,讓供應商與跨產業間具備相互操作性。網絡基礎設施、協議與將技術應用於工業網路在工業應用與服務上需要更透明化,以避免在跨垂直產業間的頻繁變動。
(二) 端點對端點(End-to-End)與垂直整合(Vertical Integration):一種傳統式多個層級(感測器、裝置、控制與企業)的分層方法,通常使用不同的網絡基礎架構與技術,需要閘道器(Gateway)來橋接這些網絡。端點對端點(End-to-End)解決方案可扁平化層級結構,以支持資訊技術(IT)、營運技術(OT)與網際網路的融合,而無需進行介面類型、交換(Switching)和路由(Routing)等技術的轉換。
(三) 靈活性:製造業的大規模客製化已引起組裝廠的轉變。現代化生產線與物流需具有彈性與靈活管理,以因應產品所需的快速變化,進而避免造成生產浪費或降低生產品質。為了能支持靈活製造,網絡應該能夠自動或重新進行動態配置。
(四) 精確性(Determinism):許多工業場景需要精確通訊。工廠自動化(例如:運動控制)需要亞毫秒級(Sub-Millisecond)的精確性與超低延遲傳輸(Ultra Low Latency Transmission)。就這些情境而言,具低抖動(Low Jitter)之時效性協議(Time-Sensitive Protocols)與技術,可被用於確保應用程式的完整性與系統性能的可預測性。
(五) 科技生命週期管理:網絡科技的產品周轉率與性能提升始終遵循摩爾定律的週期,然而與其他系統相比,營運技術(OT)有較長的生命週期,平均壽命達19年。這種開發速度的差異,導致營運技術(OT)較難及時部署新網絡技術。因此,製造子系統(Manufacturing subsystem)應與網絡裝置脫勾,同時保持它們介面的一致性。
(六) 回溯相容(Backward Compatibility)與跟上未來的腳步:新的網絡技術應與傳統網絡可交互運作,以保護過去的投資並減輕未來發展的壓力。
(七) 終端裝置中的通訊協定:為了保證可靠、安全與精確的產業通訊,故需複雜的網絡方法、功能及協議。礙於許多終端裝置的資源與功率有限,因此,設計通訊協定與實體層硬體必須考慮這些限制。
(八) 信賴程度(Trustworthiness):IIoT部署的信賴程度需要資訊安全性、可靠性、彈性及隱私性。從工業網絡角度來看,應提供實踐與支持可信賴性的手段與措施。
(九) 開放性與標準:被應用於工業網絡系統中的基礎設施、協議與技術應具有開放性與標準化,以極大化交互操作性,並促進工業夥伴間的合作。
(十) 授權及未授權頻譜(Spectrum):由於可靠性、涵蓋範圍和監管間的抵換(tradeoff),在設計具有無線通訊的工業應用時,須考慮使用授權或未授權頻譜的影響。
(十一) 功率消耗:通訊設計應考慮功率消耗。
(十二) 涵蓋範圍:涵蓋範圍包含覆蓋區域、支援通訊端點所需要的數量與頻寬要求。範圍應包括在目標環境中的所需距離規劃、視線與無線電傳播的特性。
(十三) 移動性:不同層級的移動性包括:支援全球性、區域性或地區性。移動性的特徵包括:移動頻率、移動速度與移動時對寬頻與延遲性的需求。
資料來源 Industrial Networking Enabling IIoT Communication -An Industrial Internet Consortium White Paper