IIoT通訊工業網路白皮書

SophieWeng@G

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。
3 y2 I1 i- A  p(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。
8 I2 u' `' v6 g) u/ i# O$ }(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。
5 ?; S) j  t8 J# I(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。
0 }. d' D( ^0 ~5 t(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。
+ P3 ]3 O2 W" q7 j! X. m" }4 i(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。
1 m2 d& D6 ]6 I! @9 A! q(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。
1 |0 B9 ^. I8 S8 t% j(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。

7 q* l7 p4 M) M% j1 V# G資料來源: https://outlook.stpi.narl.org.tw/index/focusnews/detail/551

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