圖1：思科公司（Cisco）首席執(zhí)行官預計，物聯網（IoT）是一個19萬億美元的市場，預期到

 

2020年連接到物聯網的設備可達750億臺，或80億人中的每一個人平均將擁有9.4臺設備。

 

    750億部，這是摩根士丹利預計的、到2020年可連接到物聯網（IoT）設備的數量。物聯網（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）網絡通信相關聯。憑借其提供連接物體（如鐵路控制或智能電網傳感器）的實時可見性和控制能力，物聯網網絡注定將給我們的生活帶來無與倫比的透明度和效率。

 

    目前大多數廣域網（WAN）原本是一種局域網（LAN）技術，所提供的全球性語音、視頻和數據通信流量都基于以太網。以太網的通用性、高性能和低成本也使它為許多新興應用的基本選擇。它也越來越多地應用在各種公用事業(yè)、交通運輸、工業(yè)和政府網絡中。

 

    雖然專有通信協議已在工業(yè)物聯網應用的網絡通信中長期占據主導地位，但日益提高的聯網能力和物聯網網絡的高帶寬需求，目前已使以太網成為了阻力最小的升級途徑。為了充分滿足這些需求，下一代以太網技術必須發(fā)展演進，并為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，以及

 

    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應對未來物聯網網絡將面臨的一些主要挑戰(zhàn)。

 

    一個風險游戲：物聯網網絡要求可靠性和確定性性能

 

    在工業(yè)物聯網、或者M2M通信應用中，采用的自治、對等（peer-to-peer）分布控制，遠比任何消費性物聯網或傳統M2M的要求更高。數據采集、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，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。

 

    現在想象一下一個監(jiān)控一座核電站結構性健康的網絡。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)物聯網網絡有嚴格的性能和可靠性要求，包括：

 

    - 容錯能力

 

    - 安全

 

    - 低延遲

 

    - 低功耗

 

    - 無處不在的覆蓋

 

    隨著物聯網網絡加速其向以太網的過渡，它們可以利用由城域以太網論壇（MetroEthernetForum，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”。這些標準尤其重要，因為物聯網網絡不可能承擔在網絡性能、穩(wěn)定性或服務可靠性等方面的妥協。我們將看到，隨著更多的物聯網網絡采用以太網，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、高性能的聯網服務。

 

 

        圖2：電信級以太網2.0增加的特性和功能，支持了用于移動、云計算和物聯網應用的先進服務的創(chuàng)建和交付。

 

    授時和同步對物聯網網絡至關重要

 

    IEEE1588v2精密時間協議（1588或PTP）將在包括有線物聯網網絡在內的、各種下一代網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2。這種能力將最大限度地減少了傳統控制網絡的性能限制，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和自動駕駛汽車到智能電網管理。

 

    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據，與自主車輛通信，以實現暢順的交通流量。

 

    縱觀智能電網，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。帶有1588功能的智能電網也可讓公用事業(yè)公司訪問實時負載數據，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，幫助他們針對突發(fā)需求高峰穩(wěn)定其電網。

 

 

    圖3：物聯網（IoT）基礎設施將基于以太網，為高度分散的系統帶來前所未有的實時可見性和控制能力，

 

包括流量管理系統和智能公共電網，如上圖所示。（圖片由SmartGRidTech提供）

 

    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，以及物聯網環(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。

 

    安全性對物聯網網絡至關重要

 

    有關信息安全和保護商業(yè)和政府網絡基礎設施免受網絡攻擊的意識正在提高。由于以前的封閉物聯網網絡和智能設備現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。雖然存在眾多的網絡和數據安全模型，我們在本領域內關注的重點仍是加密功能，因為它是保證網絡安全連接的最有效手段之一。

 

    今天常用的一種基于網絡的安全協議是IPsec。IPsec運行在互聯網協議層次結構的第3層（L3），它可在路由網絡中很好地工作。然而，因為它通常需要嵌入式或專用的獨立加密引擎，實現起來成本很高。

 

    工作在互聯網協議層次結構的第2層（L2）工作的另一種替代方案是IEEE802.1AE“MACSec”安全標準，它與“KeySec”認證密鑰協商協議l802.1af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，它提供了一個更簡單、更高效、可擴展的選擇。

 

    像其他基于以太網的網絡一樣，保護其多個接入點的強大加密功能將對物聯網至關重要。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量就越大。隨著物聯網和我們的互聯世界進一步擴展，任何從工廠網絡到單臺家用電器的東西都將被包括在預計的750億個物聯網連接之中，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，它已成為保護系統免受網絡攻擊的事實標準。我們有望看到，通過遵循下面這些原則，如NIST的FIPS197中描述的AES加密，將成為基于以太網的物聯網網絡的基本最低要求。而且考慮到物聯網的同步要求，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絡時同——對于這些網絡實現長期成功舉足輕重。

 

    結論

 

    毫無疑問，以太網連接只會數量繼續(xù)增長和變得多樣化，特別是隨著越來越多的智能“物體”連接到網絡。但許多問題仍有待觀察，因為這種已有40歷史的網絡技術正在不斷發(fā)展，以服務于物聯網的需求。無論如何，我們會看到，在以太網演進成為物聯網網絡的基礎的過程中，確定性性能、同步和安全性這三項要求將發(fā)揮重要的作用。

 

    作者簡介

 

    MartinNuss是Vitesse半導體公司負責技術與戰(zhàn)略的副總裁和首席技術官。MartinNuss博士擁有超過20年的技術和管理經驗，是公認的以太網技術行業(yè)專家，涉獵于公共和私有通信網絡的時序與同步。MartinNuss博士擔任電信行業(yè)解決方案聯盟（ATIS）董事，同時是美國光學學會資深會員和IEEE會員。他獲得了德國慕尼黑理工大學應用物理學博士學位。