將確定性資料中心引進邊緣運算

December 13, 2018

Brandon Lewis

現在，工業物聯網 (IIoT) 系統的邊緣運算優勢已不容忽視。在感應器與致動器鄰近處增添智慧功能，可減少通訊所需頻寬、延遲、安全考量，並且尚具備其他眾多優勢。

但是真正的邊緣運算並非僅意味著增加嵌入式裝置的 MIPS，而是需要可在即時環境中引進資料中心效能的端對端解決方案。

將嵌入式裝置連線至網際網路時，會帶來許多挑戰，包括授權與佈建、遠端管理、端點安全性，以及在物聯網與 IT 環境間分享資料的眾多複雜性。由於前述情況使然，讓邊緣運算自然而然地受限在企業平台上。

這是問題所在。大部分企業解決方案皆不適合工業物聯網應用，因此讓邊緣需求與資料中心的能力之間產生落差。最明顯的是企業網路缺乏工業物聯網邊緣運算情境所需的確定性，不過 OPC Foundation 的統一架構 (OPC UA) 以及 AVnu Alliance 的時效性網路 (TSN) 技術能夠彌補這項差距。

OPC UA：適用於 OT 與 IT 通訊的統一架構

為了讓邊緣裝置與資料中心能夠緊密結合，許多工業 OEM 皆採用 OPC UA。OPC UA 跟以 IT 為中心的技術不同，OPC UA 通訊堆疊提供服務導向的架構 (SOA)，可將各種現場層級的通訊協定提取至傳輸層機器對機器 (M2M) 通訊協定，以透過企業網路進行傳輸。

如同圖 1 所示，OPC UA 能讓企業與工業物聯網部署控制層之間的通訊透明化，並且解決許多與邊緣運算相關的網路問題。

圖 1. OPC 統一架構 (OPC UA) 軟體堆疊能實現工業物聯網 (IIoT) 邊緣運算所需的通訊透明化與彈性。（資料來源：National Instruments）

有助於讓企業系統與營運設備緊密相連的 OPC UA 功能包括：

雙向心跳，可向客戶與伺服器通知對方的狀態，藉此迅速識別岔斷情況
資料緩衝，在喪失連線之際，可確保仍能保留資料
安全性、驗證與授權，包括二進位版本的 WS-SecureConversation 規格，適合用於資源有限的裝置
備援，在系統故障之際，可改善資料傳輸的可靠性與整體基礎架構

於工廠自動化、建築自動化、石油與天然氣、程序控制和製藥等等產業中，前述功能讓使用 OPC UA 的設備能統整邊緣與雲端。不過此標準本身並未提供相關機制，以維護現場層級的營運確定性並將其引進企業中。

時效性網路 (TSN) 登場：物聯網架構的確定性

衍生自汽車業的 TSN 技術，可透過乙太網路提供高品質且即時的音訊與視訊內容。隨著以乙太網路為基礎的通訊在工業現場匯流排環境中大為盛行，當然 TSN 技術也開始在工業物聯網中站穩腳步。

相較於傳統的 IEEE 802.3 乙太網路標準，以 TSN 為基礎的 IEEE 802.1x 乙太網路建立了不可協調的時間限制，以此限制定義端對端的傳輸延遲。這項特性讓 TSN 通訊本質即具有確定性，且因此也具有即時性。

TSN 也可支援位於相同網路上，但類別不同的流量與優先順序層級。因此，支援 TSN 的工業物聯網裝置可讓企業的連線技術拓展至超越 SCADA，並且讓控制系統延伸至現場的感應器與致動器（圖 2）。

圖 2. 支援 802.1 時效性網路 (TSN) 標準的工業通訊協定，可將營運技術 (OT) 系統的確定性延伸至企業平台。（資料來源：EBV Elektronik GmbH）

如前一圖片中所示，結合乙太網路 TSN 與 OPC UA 等技術，就可實現以 IP 為基礎的通用連線，從現場層級邊緣運算系統連線至雲端。不過，乙太網路不是唯一採用 TSN 的通訊協定。圖 3 所示為與 TSN 相容的其他現有或未來工業通訊技術。

圖 3. 由 AVnu Alliance 規範的時效性網路 (TSN) 規格，支援透過 OPC UA、PROFINET、IEC 61508、IEEE 1722、乙太網路 IP、DDS 與專屬實作等通訊協定進行的即時通訊。（資料來源：National Instruments）

OPC UA 與 TSN 統合軟體定義工廠

OPC Foundation 和 IEEE 802.1x 工作團隊一直致力於將 TSN 技術整合至 OPC UA 通訊堆疊內，這對工業物聯網邊緣運算具有重大的影響。這項創新做法讓工業組織能將實際的資料中心引進廠房內（圖 4），而非僅在嵌入式系統中加入類似資料中心的效能而已。

圖 4. 結合 OPC UA 與 TSN 技術後，工業自動化公司就能將雲端技術引進確定性環境中。（資料來源：Kontron）

透過將即時、功能安全與雲端能力整合至現場的邊緣伺服器內，自動化工程師即可著手建立真正由軟體定義的工廠。透過與鄰近資料中心智慧功能之間的低延遲決定性連線，讓控制器、感應器與致動器在可持續改善效能的本地化措施中，佔有一席之地。現在，我們即可運用工廠的集體智慧，並透過軟體即時進行最佳化作業。

例如，利用 OPC UA TSN，現場的邊緣伺服器可在本機執行全面性的即時分析，加快安全關鍵或商務關鍵工業使用案例的決策週期。在預防性維護的即時應用中，也可運用工廠所有節點的歷史資料，藉此保存寶貴的工業設備。在處理新介面之際，也可更新機器學習演算法並重複部署，讓工廠更具智慧，無須仰賴雲端。

當然，建置軟體定義的工廠也需要靈活且完善的硬體，同時需具備適當的網路能力。此時 Kontron 等公司扮演了重要角色。

Kontron 將設計工業及演算與通訊平台的優良傳承，帶進智慧型工廠的環境中。現在該公司提供可擴充的產品組合，內含以標準為基礎的控制器、閘道，以及以 Intel^® 技術為基礎的多 CPU伺服器組，支援 OPC UA 和 TSN 等新興工業網路技術。

例如 KBox C-102-2 TSN Starterkit 這款雙插槽工業電腦，搭載了第 6 代 Intel^® Core^™ i5 處理器與四個連接埠的 10/100/1000 乙太網路 TSN 網路介面卡 (NIC)。KBox TSN Starterkit 以即時擴充功能支援 Linux，可供快速部署工業 TSN 網路。