5G、LPWAN、SDN、NFV、TSN…一文带你看懂物联网“网”的本质

物联网是一个跨界融合的产物,无论是IoT中的各种智能设备、使用的通讯网络、还是分析平台和各类应用,都在进行持续裂变。其中,围绕物联网中“网”展开的一系列技术裂变,已经多到让人应接不暇的地步,因此这篇文章我将聚焦物联网与通信行业接壤的领域,浓缩呈现你所需知道的一切。

5G、LPWAN、SDN、NFV、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?

好的技术一定符合简谐之美,事物的本质规律也永远是一目了然的,如果一种技术让你觉得眼花缭乱、纷繁复杂,那么要么是你理解偏了,要么是这项技术本身“忽悠”的价值大过实际应用。

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。

3. 在快递的过程中需要一些基础设施,比如机场、车站、转运站,这些工作由网关、交换机、路由器等设备承担。它们不仅负责数据包裹的继续传递,还负责包裹的快递路径规划。

以前各个城市之间的送货道路和转运站由于没有统一的交通信号系统,加之方言不通难以跨城合作,不仅需要人为疏通交通系统,而且包裹的跨城快递效率不高。

于是有人提出建设跨越各个城市的智能交通系统,也就是SDN(软件定义网络)。SDN通过统一的智能交通调度“中枢”,解决了人为调度的问题,实现快递路径的自动规划,还加强了对于交通状态的可视化能力,多种手段避免拥堵路段的产生。

4. 有了智能交通系统之后,人们还想对各类的送货基础设施在不改变原有硬件的情况下,做到最高的通行效率优化,而且希望有安防措施避免对数据包裹的拦路抢劫或恶意损毁。

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、LPWAN、SDN、NFV、TSN…一文带你看懂物联网“网”的本质

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。

5G中宽带的分支,主要是增强型移动互联网(eMBB),可以提供高达1Gps到数十Gbps的带宽,就像高速公路从原来3车道变成13车道一样,能够大幅增加车流。如果从场景上做简单划分,eMBB针对3D/超高清视频等大流量移动宽带业务,未来这些终端可能眨眼就用了好几个G的流量。从上图的演进路径可以看出,我们并不是从最初4G商用的带宽一下子跳到5G的高带宽,这个过程中厂商在阶梯式地提升网络带宽直至演进到5G所要求的带宽。

5G中的“快”的分支,就是高可靠低时延通信(uRLLC),eMBB解决车道宽度和可同时容纳车辆的容量,而uRLLC解决速度直达的问题。很多时候我们往往将高带宽和高速度混为一谈,但实际上超高的带宽并不一定带来速度的本质的提升,更需要突破“时延”的障碍。“时延”是端到端传输的速度,举例来说在抢红包时,一些手机连接的WiFi的带宽高于4G,但通过4G往往比WiFi更容易抢到,因为4G的时延低于WiFi。未来5G端到端的时延要达到毫秒级别,是人的反应速度极限的100倍以上,像一些工业自动化、自动驾驶场景下这样的网络反应速度才是可靠的。

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。

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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。

5G、LPWAN、SDN、NFV、TSN…一文带你看懂物联网“网”的本质

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。

5G、LPWAN、SDN、NFV、TSN…一文带你看懂物联网“网”的本质

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。

你看到了,本文包含的热词很多。小结一下,我先是通过一个例子,为你呈现了各种通信技术的纵向关联,接着按照三个分组,包括5G、软件定义网络和实时物联网,横向将重点技术进行了解读。

一方面,通信网络正在历经一次质变,物联网人对于物联网中“网”的认知也必须随之升级,才能跟上这些变化。通信网络将从面向硬件的模式,转变为面向软件的模式,有效利用通信网络技术演进中的各种“红利”,无疑可以让物联网的发展事半功倍。

另一方面,由于大量物联网设备创造了前所未有的多样性需求,各种传感器和摄像头需要监控制造生产过程,设备供应商需要为大型机械提供预测性维护服务,智能医疗产品需要迅速找到附近的设备并与之协作/集成…各种各样的应用都对通信网络的异构IoT设备连接能力、可扩展性、可靠性、实时性和成本控制提出了更高更细更定制化的要求。通信行业如果能从市场角度出发,让产业界更加简明的理解各种技术解决的行业痛点,将很有助于推动它们落地融入现实场景。

最后,衷心感谢华为技术专家史扬在成文过程中对我的大力支持。

转自: 物联网智库

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