5GLPWANSDNNFV、TSN…这些层出不穷的新鲜名词都与物联网中的“网”有关,你是否对它们有所耳闻?你是否能说出它们的全称?你是否了解它们各自的含义?
 
 
为了恢复通讯技术的“简”与“美”,在这篇文章中,我尝试使用最为通俗易懂的语言,让你在不需要大量 CT(通信技术)和 IT(信息技术)知识的情况下,亦理解这些技术的内涵。从“外行看热闹”到“内行看门道”就是本文的初心了。
 
一个比喻,串联各种通信领域热词
话不多说,进入正题。为了更直观的体现各种最新通信技术的关系和比较,我以邮寄快递包裹的过程为例进行说明。
 
虽然最终用户的核心需求是把各种包裹寄到目的地,在选定了一家快递公司之后,用户并不用关心这家公司到底使用哪种交通工具、海陆空哪种运送方式、快递小哥是中日韩哪种混血儿…这些细节,但不同快递公司之间毕竟有价格差异,服务水平也不同,用户有必要了解基本的快递过程,比如“功耗”、“带宽”、“可靠性”、“成本”等,做到对快递支出心中有数。
 
各种通信技术在不同设备之间传递数据的过程,就跟快递公司递送包裹的过程如出一辙,各司其职完成分工协作。在这里,如果将数据比喻成货物,通信网络比喻成道路,携带数据的网络报文比喻成送货车辆,那么故事就这样开始:
 
1. 先从快递的“入口”说起,NB-IoT、TSN、Zigbee、WiFi 等等这些通信协议,专供物联网应用,就像各种快递货车一样,解决的是如何从各种终端设备中,将数据包裹递送到就近的分拣站。
 
比如 NB-IoT(窄带物联网)这个类型的货车发车间隔长,各个车辆的货箱很小,虽然一次装不了多少包裹,但却极为省油,运输成本很低。
 
TSN(时间敏感网络)这类车辆专门递送智能工业和智能汽车领域对时间极为敏感、要求实时送达的包裹。为了解决实时性的问题,TSN 定制了一种特殊的快递车型,就像电影《黑衣人》中秒变火箭的飞行汽车一样,保证送货车辆的速度和时效。
 
2. 在取货的过程中,遇到大数据量,对传输速度要求较高的数据包裹时,普通的快递货车不够用了,这时就需要有线标准以太网、3G/4G、以及 5G 中相应的宽带通讯技术登场了。它们提供的交通工具是轮船、火车和飞机,传输距离长、载货量大、服务质量高。 
 
 
这时就需要用到 NFV(网络功能虚拟化),它对道路本身进行了优化,在不改变原有基础设施的情况下,解决了道路承载灵活性的问题。当有特殊快递需求时,NFV 可以快速建起一条虚拟道路,当车辆通过之后,虚拟道路取消,相关资源释放回资源池。NFV 还可以创造虚拟警察,让劫匪难以下手。
 
看到这里,相信你对各种技术在整个纵向的信息传递流程中,各自解决什么问题已经有了大致的了解。接下来我将聚焦核心趋势,主要包括 5G、软件定义网络和实时物联网,把相关的重点技术进行分组,横向谈谈它们各自的使命。
 
宽、窄、快、慢都支持的 5G
老百姓对 5G 的印象是它比现有的 4G 快上 10-100 倍,但是 5G 带来的可不只是网速的飞升,还有一大堆技术名词,包括 uRLLC、eMBB、mMTC 等以及向 5G 演进的 NB-IoT、eMTC、LTE-V 等,有数十种之多,令人感觉云里雾里,晦涩难懂。
 
其实对于用户来说,相比网速更重要的是 5G 在网络能力上的提升,它将可承载更多种类的物联网设备对各种通信场景的需求。为了解决这一问题,与 4G 有明显不同,5G 使用创新性的思维,能同时支持高带宽和窄带宽、低时延和高时延这些“两极分化”的场景,可以说是能宽能窄、能快能慢地应对终端需求。
 
 
5G 中窄带的分支,从现在物联网领域中热门的 eMTC(增强型机器对机器通信)和 NB-loT(窄带物联网)演进而来,图中的 Cat M/Cat NB 就是其演进的路径,未来实现在每平方公里百万级终端接入和超低功耗、超低成本的 mMTC 场景。这些低功耗广域网络 LPWAN 代表性技术的一个核心功能是对“物”的感知数据的传输,而所传输的数据基本上具有“小包、低频”的特点。这些小批量的数据却是用户直接业务所需要的,可以说是“直击”用户业务痛点。当然,这个窄带的分支一般不承载关键性的高可靠业务,可以承担大量并不要求实时性、敏感性的通信任务,作为 5G“慢”的场景支持。
 
 
别看这么多场景,5G 能够在一张网络上承载宽、窄、快、慢各种“两极分化”的场景,可以说是全新的变革。
 
 

 

立足于软硬“解耦”的软件定义网络
SDN(软件定义网络)和 NFV(网络虚拟化)无疑是当下 IT 领域最为炙手可热的趋势。在不久之前刚刚结束的巴塞罗那 MWC 展会上,几乎所有 CT 与 IT 厂商均把 SDN 与 NFV 作为降低通信成本的战略方向,提出了针对性的产品和方案。
 
也许这组词汇让你觉得有些陌生。如果探究 SDN 和 NFV 的内在逻辑,其实很简单,核心的思维是“分离”和“解耦”。SDN 将控制平面(可以简单理解为上述例子中的车辆调度)和数据平面(例子中道路上行驶的车流)进行了分离,NFV 将网络中使用的软、硬件进行了分离,各自解耦发挥最大功效。
 
 
推动 SDN 和 NFV 发展的主要驱动力来自数据中心和广域 WAN,但它们的存在,可供物联网等场景借鉴和使用。SDN 和 NFV 解决了物联网中业务灵活性和敏捷性的需求。面对迭代越来越快的通信技术,不停更新硬件和基础设施来跟上时代的脚步并不现实,因此就需要让控制和软件发挥作用,满足千变万化的业务需求,加快部署时间、提高网络的传输效率,同时确保硬件投入成本不会大幅增长。
 
这些基于软件的网络技术(包括 SDN,NFV 和 SD-WAN)提供了灵活设计网络架构的新工具,可以根据物联网的业务需求定制网络。SDN 主要是优化网络基础设施架构,比如交换机、路由器、无线网络等。NFV 主要是提供增值功能的灵活性和低成本,包括负载均衡、安全、广域优化等。SDN 提供的集中式管理控制功能和 NFV 提供的业务功能虚拟化,可以协调管控分布式 IoT 系统中的各种数据流和业务流。
 
随着分布式计算和终端智能的推进,SDN 和 NFV 正在逐步走向网络边缘侧,推进边缘计算的发展,物联网人今后与其“你来我往”的机会越来越多。
 
比 SDN 和 NFV 更为重要的是,蕴藏在它们背后的“解耦”思维模式,这一思维催生了各种 SDX,此起彼伏,推动硬件和软件之间的协同工作进入了一个新的高度。
 
最早的 SDX 出现在无线电领域,设备功能主要由硬件决定,一种设备对应一种专用硬件,不但不灵活,性价比也差。随着硬件通用性和软件多样性的提升,人们从而实现只需改变软件,就可赋予同一设备多种功能,甚至具有前所未有的新功能。
 
现在这种思维逐渐扩展到其他领域,出现了“软件定义存储”、“软件定义网络”、“软件定义安全”、“软件定义数据中心”…有人就干脆说“软件定义一切”,也就是 SDX。其中的集大成者是 iPhone,同一款手机硬件通过个性化 APP 软件,实现游戏机、随身听、翻译笔等多重功能。工业领域的软 PLC(工业可编程控制器),也是这一思维的成果之一。
 
打通工业通讯壁垒的 TSN 和 OPC-UA
最后的这组技术来自工业领域,TSN(时间敏感网络)和 OPC-UA(设备之间的“对话”协议)。它们一起协作解决了标准以太网在工业应用时的不确定性问题,和工业通讯之间彼此语言不通难以交互的问题。
 
 
标准以太网的本质是一种非确定性网,但在工业领域必须要求确定性,一组数据包裹必须完整、实时、确定性的到达目的地。为了满足这个需求,TSN 自研“飞行快递货车”。普通货车从北京的国贸到天安门,全程 5 公里,大约需要 20 分钟左右,上下班高峰期还会更久。而 TSN 飞行汽车让送货计划被安排得分秒不差,如果以 100 公里 / 小时的速度行驶,TSN 货车将在 3 分 0 秒后准时到达天安门,消除了标准以太网由于交通“拥堵”导致的非确定性。
 
除了解决以太网的确定性问题,TSN 还正在解决工业领域的碎片化问题。要知道如今工业中存在着庞杂的、拗口的、各有所长也有所短的以太网协议,比如 Ethernet/IP、Profinet、Modbus TCP、EtherCAT、PowerLink、SERCOS III 等,每种技术的背后都有不同的厂商阵营在支持,哪家也无法一统江湖。工业通讯的碎片化还导致了对于数据包裹的描述不统一,即便收到了包裹,读不懂里面的内容也是白费。
 
因此 TSN 和 OPC-UA 的核心思维是提出了一个可互操作的系统,并支持多个制造商、协议和机构在同一个网络上共享,同时数据使用相同的语言进行解析,不仅可得,而且可用。作为底层的通用架构,TSN 使得更多企业可以在此架构上实现 OT 和 IT 的融合。这种融合提高了工业设备的连接性和通用性,并且面向未来,为大数据分析、边缘智能、新型业务提供了更快更好的发展路径。