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            5G、LPWAN、SDN、NFV、TSN…一文帶你看懂物聯網“網”的本質

            2016-03-03 12:22:57 1854

            物聯網是一個跨界融合的產物,無論是IoT中的各種智能設備、使用的通訊網絡、還是分析平臺和各類應用,都在進行持續裂變。其中,圍繞物聯網中“網”展開的一系列技術裂變,已經多到讓人應接不暇的地步,因此這篇文章我將聚焦物聯網與通信行業接壤的領域,濃縮呈現你所需知道的一切。

            5G、LPWAN、SDN、NFV、TSN…這些層出不窮的新鮮名詞都與物聯網中的“網”有關,你是否對它們有所耳聞?你是否能說出它們的全稱?你是否了解它們各自的含義?

            好的技術一定符合簡諧之美,事物的本質規律也永遠是一目了然的,如果一種技術讓你覺得眼花繚亂、紛繁復雜,那么要么是你理解偏了,要么是這項技術本身“忽悠”的價值大過實際應用。

            為了恢復通訊技術的“簡”與“美”,在這篇文章中,我嘗試使用最為通俗易懂的語言,讓你在不需要大量CT(通信技術)和IT(信息技術)知識的情況下,亦理解這些技術的內涵。從“外行看熱鬧”到“內行看門道”就是本文的初心了。

            一個比喻,串聯各種通信領域熱詞

            話不多說,進入正題。為了更直觀的體現各種最新通信技術的關系和比較,我以郵寄快遞包裹的過程為例進行說明。

            雖然最終用戶的核心需求是把各種包裹寄到目的地,在選定了一家快遞公司之后,用戶并不用關心這家公司到底使用哪種交通工具、海陸空哪種運送方式、快遞小哥是中日韓哪種混血兒…這些細節,但不同快遞公司之間畢竟有價格差異,服務水平也不同,用戶有必要了解基本的快遞過程,比如“功耗”、“帶寬”、“可靠性”、“成本”等,做到對快遞支出心中有數。

            各種通信技術在不同設備之間傳遞數據的過程,就跟快遞公司遞送包裹的過程如出一轍,各司其職完成分工協作。在這里,如果將數據比喻成貨物,通信網絡比喻成道路,攜帶數據的網絡報文比喻成送貨車輛,那么故事就這樣開始:

            1. 先從快遞的“入口”說起,NB-IoT、TSN、Zigbee、WiFi等等這些通信協議,專供物聯網應用,就像各種快遞貨車一樣,解決的是如何從各種終端設備中,將數據包裹遞送到就近的分揀站。

            比如NB-IoT(窄帶物聯網)這個類型的貨車發車間隔長,各個車輛的貨箱很小,雖然一次裝不了多少包裹,但卻極為省油,運輸成本很低。

            TSN(時間敏感網絡)這類車輛專門遞送智能工業和智能汽車領域對時間極為敏感、要求實時送達的包裹。為了解決實時性的問題,TSN定制了一種特殊的快遞車型,就像電影《黑衣人》中秒變火箭的飛行汽車一樣,保證送貨車輛的速度和時效。

            2. 在取貨的過程中,遇到大數據量,對傳輸速度要求較高的數據包裹時,普通的快遞貨車不夠用了,這時就需要有線標準以太網、3G/4G、以及5G中相應的寬帶通訊技術登場了。它們提供的交通工具是輪船、火車和飛機,傳輸距離長、載貨量大、服務質量高。

            3. 在快遞的過程中需要一些基礎設施,比如機場、車站、轉運站,這些工作由網關、交換機、路由器等設備承擔。它們不僅負責數據包裹的繼續傳遞,還負責包裹的快遞路徑規劃。

            以前各個城市之間的送貨道路和轉運站由于沒有統一的交通信號系統,加之方言不通難以跨城合作,不僅需要人為疏通交通系統,而且包裹的跨城快遞效率不高。

            于是有人提出建設跨越各個城市的智能交通系統,也就是SDN(軟件定義網絡)。SDN通過統一的智能交通調度“中樞”,解決了人為調度的問題,實現快遞路徑的自動規劃,還加強了對于交通狀態的可視化能力,多種手段避免擁堵路段的產生。

            4. 有了智能交通系統之后,人們還想對各類的送貨基礎設施在不改變原有硬件的情況下,做到最高的通行效率優化,而且希望有安防措施避免對數據包裹的攔路搶劫或惡意損毀。

            這時就需要用到NFV(網絡功能虛擬化),它對道路本身進行了優化,在不改變原有基礎設施的情況下,解決了道路承載靈活性的問題。當有特殊快遞需求時,NFV可以快速建起一條虛擬道路,當車輛通過之后,虛擬道路取消,相關資源釋放回資源池。NFV還可以創造虛擬警察,讓劫匪難以下手。

            看到這里,相信你對各種技術在整個縱向的信息傳遞流程中,各自解決什么問題已經有了大致的了解。接下來我將聚焦核心趨勢,主要包括5G、軟件定義網絡和實時物聯網,把相關的重點技術進行分組,橫向談談它們各自的使命。

            寬、窄、快、慢都支持的5G

            老百姓對5G的印象是它比現有的4G快上10-100倍,但是5G帶來的可不只是網速的飛升,還有一大堆技術名詞,包括uRLLC、eMBB、mMTC等以及向5G演進的NB-IoT、eMTC、LTE-V等,有數十種之多,令人感覺云里霧里,晦澀難懂。

            其實對于用戶來說,相比網速更重要的是5G在網絡能力上的提升,它將可承載更多種類的物聯網設備對各種通信場景的需求。為了解決這一問題,與4G有明顯不同,5G使用創新性的思維,能同時支持高帶寬和窄帶寬、低時延和高時延這些“兩極分化”的場景,可以說是能寬能窄、能快能慢地應對終端需求。

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            5G中窄帶的分支,從現在物聯網領域中熱門的eMTC(增強型機器對機器通信)和NB-loT(窄帶物聯網)演進而來,圖中的Cat M/Cat NB就是其演進的路徑,未來實現在每平方公里百萬級終端接入和超低功耗、超低成本的mMTC場景。這些低功耗廣域網絡LPWAN代表性技術的一個核心功能是對“物”的感知數據的傳輸,而所傳輸的數據基本上具有“小包、低頻”的特點。這些小批量的數據卻是用戶直接業務所需要的,可以說是“直擊”用戶業務痛點。當然,這個窄帶的分支一般不承載關鍵性的高可靠業務,可以承擔大量并不要求實時性、敏感性的通信任務,作為5G“慢”的場景支持。

            5G中寬帶的分支,主要是增強型移動互聯網(eMBB),可以提供高達1Gps到數十Gbps的帶寬,就像高速公路從原來3車道變成13車道一樣,能夠大幅增加車流。如果從場景上做簡單劃分,eMBB針對3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業務,未來這些終端可能眨眼就用了好幾個G的流量。從上圖的演進路徑可以看出,我們并不是從最初4G商用的帶寬一下子跳到5G的高帶寬,這個過程中廠商在階梯式地提升網絡帶寬直至演進到5G所要求的帶寬。

            5G中的“快”的分支,就是高可靠低時延通信(uRLLC),eMBB解決車道寬度和可同時容納車輛的容量,而uRLLC解決速度直達的問題。很多時候我們往往將高帶寬和高速度混為一談,但實際上超高的帶寬并不一定帶來速度的本質的提升,更需要突破“時延”的障礙?!皶r延”是端到端傳輸的速度,舉例來說在搶紅包時,一些手機連接的WiFi的帶寬高于4G,但通過4G往往比WiFi更容易搶到,因為4G的時延低于WiFi。未來5G端到端的時延要達到毫秒級別,是人的反應速度極限的100倍以上,像一些工業自動化、自動駕駛場景下這樣的網絡反應速度才是可靠的。

            別看這么多場景,5G能夠在一張網絡上承載寬、窄、快、慢各種“兩極分化”的場景,可以說是全新的變革。

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            關于5G的進一步闡述,可以閱讀物聯網智庫推送過的文章《秒懂5G,通俗易懂外行也能看明白!》。如果你還對物聯網領域中廣泛使用的各種LPWAN技術感興趣,推薦你閱讀物聯網智庫CEO趙小飛的新書《物聯網沙場“狙擊槍”》。

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            立足于軟硬“解耦”的軟件定義網絡

            SDN(軟件定義網絡)和NFV(網絡虛擬化)無疑是當下IT領域最為炙手可熱的趨勢。在不久之前剛剛結束的巴塞羅那MWC展會上,幾乎所有CT與IT廠商均把SDN與NFV作為降低通信成本的戰略方向,提出了針對性的產品和方案。

            也許這組詞匯讓你覺得有些陌生。如果探究SDN和NFV的內在邏輯,其實很簡單,核心的思維是“分離”和“解耦”。SDN將控制平面(可以簡單理解為上述例子中的車輛調度)和數據平面(例子中道路上行駛的車流)進行了分離,NFV將網絡中使用的軟、硬件進行了分離,各自解耦發揮最大功效。

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            推動SDN和NFV發展的主要驅動力來自數據中心和廣域WAN,但它們的存在,可供物聯網等場景借鑒和使用。SDN和NFV解決了物聯網中業務靈活性和敏捷性的需求。面對迭代越來越快的通信技術,不停更新硬件和基礎設施來跟上時代的腳步并不現實,因此就需要讓控制和軟件發揮作用,滿足千變萬化的業務需求,加快部署時間、提高網絡的傳輸效率,同時確保硬件投入成本不會大幅增長。

            這些基于軟件的網絡技術(包括SDN,NFV和SD-WAN)提供了靈活設計網絡架構的新工具,可以根據物聯網的業務需求定制網絡。SDN主要是優化網絡基礎設施架構,比如交換機、路由器、無線網絡等。NFV主要是提供增值功能的靈活性和低成本,包括負載均衡、安全、廣域優化等。SDN提供的集中式管理控制功能和NFV提供的業務功能虛擬化,可以協調管控分布式IoT系統中的各種數據流和業務流。

            隨著分布式計算和終端智能的推進,SDN和NFV正在逐步走向網絡邊緣側,推進邊緣計算的發展,物聯網人今后與其“你來我往”的機會越來越多。

            比SDN和NFV更為重要的是,蘊藏在它們背后的“解耦”思維模式,這一思維催生了各種SDX,此起彼伏,推動硬件和軟件之間的協同工作進入了一個新的高度。

            最早的SDX出現在無線電領域,設備功能主要由硬件決定,一種設備對應一種專用硬件,不但不靈活,性價比也差。隨著硬件通用性和軟件多樣性的提升,人們從而實現只需改變軟件,就可賦予同一設備多種功能,甚至具有前所未有的新功能。

            現在這種思維逐漸擴展到其他領域,出現了“軟件定義存儲”、“軟件定義網絡”、“軟件定義安全”、“軟件定義數據中心”…有人就干脆說“軟件定義一切”,也就是SDX。其中的集大成者是iPhone,同一款手機硬件通過個性化APP軟件,實現游戲機、隨身聽、翻譯筆等多重功能。工業領域的軟PLC(工業可編程控制器),也是這一思維的成果之一。

            打通工業通訊壁壘的TSN和OPC-UA

            最后的這組技術來自工業領域,TSN(時間敏感網絡)和OPC-UA(設備之間的“對話”協議)。它們一起協作解決了標準以太網在工業應用時的不確定性問題,和工業通訊之間彼此語言不通難以交互的問題。

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            標準以太網的本質是一種非確定性網,但在工業領域必須要求確定性,一組數據包裹必須完整、實時、確定性的到達目的地。為了滿足這個需求,TSN自研“飛行快遞貨車”。普通貨車從北京的國貿到天安門,全程5公里,大約需要20分鐘左右,上下班高峰期還會更久。而TSN飛行汽車讓送貨計劃被安排得分秒不差,如果以100公里/小時的速度行駛,TSN貨車將在3分0秒后準時到達天安門,消除了標準以太網由于交通“擁堵”導致的非確定性。

            除了解決以太網的確定性問題,TSN還正在解決工業領域的碎片化問題。要知道如今工業中存在著龐雜的、拗口的、各有所長也有所短的以太網協議,比如Ethernet/IP、Profinet、Modbus TCP、EtherCAT、PowerLink、SERCOS III等,每種技術的背后都有不同的廠商陣營在支持,哪家也無法一統江湖。工業通訊的碎片化還導致了對于數據包裹的描述不統一,即便收到了包裹,讀不懂里面的內容也是白費。

            因此TSN和OPC-UA的核心思維是提出了一個可互操作的系統,并支持多個制造商、協議和機構在同一個網絡上共享,同時數據使用相同的語言進行解析,不僅可得,而且可用。作為底層的通用架構,TSN使得更多企業可以在此架構上實現OT和IT的融合。這種融合提高了工業設備的連接性和通用性,并且面向未來,為大數據分析、邊緣智能、新型業務提供了更快更好的發展路徑。

             

            你看到了,本文包含的熱詞很多。小結一下,我先是通過一個例子,為你呈現了各種通信技術的縱向關聯,接著按照三個分組,包括5G、軟件定義網絡和實時物聯網,橫向將重點技術進行了解讀。

            一方面,通信網絡正在歷經一次質變,物聯網人對于物聯網中“網”的認知也必須隨之升級,才能跟上這些變化。通信網絡將從面向硬件的模式,轉變為面向軟件的模式,有效利用通信網絡技術演進中的各種“紅利”,無疑可以讓物聯網的發展事半功倍。

            另一方面,由于大量物聯網設備創造了前所未有的多樣性需求,各種傳感器和攝像頭需要監控制造生產過程,設備供應商需要為大型機械提供預測性維護服務,智能醫療產品需要迅速找到附近的設備并與之協作/集成…各種各樣的應用都對通信網絡的異構IoT設備連接能力、可擴展性、可靠性、實時性和成本控制提出了更高更細更定制化的要求。通信行業如果能從市場角度出發,讓產業界更加簡明的理解各種技術解決的行業痛點,將很有助于推動它們落地融入現實場景。


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