物聯(lián)網(wǎng)這個名詞聽起來像是最新的技術浪潮，不過其實早在1999年就已經出現(xiàn);當時研究人員的想法，是利用RFID卷標追蹤大型的物體網(wǎng)絡。這項概念演進發(fā)展，大量導入智能連網(wǎng)裝置，而Cisco這家主要的連網(wǎng)設備廠商，目前將物聯(lián)網(wǎng)定義為物體 (也就是“物”) 連網(wǎng)數(shù)量超越人口數(shù)的時間點。Cisco甚至預測到了2020 年，將有500億臺裝置連上互聯(lián)網(wǎng)。

　　這類裝置相互搭配運作，傳送數(shù)據(jù)至云端型應用程序，透過巨量數(shù)據(jù)分析來實現(xiàn)價值，這樣的愿景就是現(xiàn)今所謂的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。雖然此項愿景通常與連網(wǎng)消費性產品有關，但也進軍其他領域，例如目前的“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”(IIoT)，利用現(xiàn)場或廠房的數(shù)千個傳感器提供數(shù)據(jù)，實時達到最佳生產力及資源使用率，進而實現(xiàn)“工業(yè) 4.0”全新工業(yè)革命。

　　本白皮書將探討 物聯(lián)網(wǎng)的各項承諾，實作物聯(lián)網(wǎng)的各項技術和標準，再對比能源產業(yè)已經使用的項目，探討智能電網(wǎng)項目期間發(fā)現(xiàn)的各項挑戰(zhàn)。本文也將討論如何擷取及使用現(xiàn)有應用的數(shù)據(jù)，并仍能符合關鍵基礎設施的安全需求。

　　定義物聯(lián)網(wǎng)

　　物聯(lián)網(wǎng)定義相當混亂，其中包含大量的應用和技術。連網(wǎng)裝置、自動化和軟件的各大廠商都加入了這一波浪潮，各界不斷大肆宣傳這項新型商業(yè)契機的作法，使得物聯(lián)網(wǎng)定義的厘清更加困難。此外，物聯(lián)網(wǎng)說明內容一般維持在大方向，很少有人從技術層面切入，探討如何建構 物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)所有效益。

　　標準開發(fā)組織 (SDO) 已經組成工作小組，以提出物聯(lián)網(wǎng)的正式架構。例如 IEEER 已經建立 物聯(lián)網(wǎng) 計劃，將物聯(lián)網(wǎng) 定義為“由各個內嵌傳感器的連網(wǎng)項目所組成的網(wǎng)絡”。其中已經提出 140 項以上的相關標準和項目，并組成 IEEE P2413 工作小組負責定義架構，并厘清各 物聯(lián)網(wǎng)領域、其抽象概念和共通處。

　　P2413 工作小組已經提出下列物聯(lián)網(wǎng)IOT 領域：居家和建物、零售、能源、制造、移動及運輸、物流、媒體、醫(yī)療保健。P2413 以大方向為原則，將架構定義為三個層級，包含應用、網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)通訊、感測。

　　由于大量的智能電子裝置 (IED) 部署于變電所及配電網(wǎng)絡，因此各界經常將能源產業(yè)視為實現(xiàn) 物聯(lián)網(wǎng)IoT 理所當然的機會目標。不過，討論內容通常局限于 AMI 及“智能”溫控等常見應用?？上У氖牵蠖辔茨芴峒澳茉串a業(yè)在智能電網(wǎng)項目中，透過本身連網(wǎng)裝置標準型架構所汲取的豐富寶貴經驗。

　　以下將詳細探討各項物聯(lián)網(wǎng) 概念，說明其中牽涉的技術，并就智能電網(wǎng)計劃的工作成果來闡述。

　　網(wǎng)絡聯(lián)機及數(shù)據(jù)通訊

　　網(wǎng)絡聯(lián)機

　　物聯(lián)網(wǎng)的基礎概念，是傳感器網(wǎng)絡將傳送數(shù)據(jù)至各項應用程序，以便為組織或個人創(chuàng)造價值。一般是假設各個傳感器將獲派獨一無二的地址，而數(shù)據(jù)會透過公共互聯(lián)網(wǎng)基礎設施傳輸至云端型應用程序。不過，如果有500億個裝置要直接連網(wǎng)，就需要大幅改變裝置尋址的方式。

　　互聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議原本是設計為研究項目，使用32位的尋址空間，這在當時并不構成問題。此外，地址原本的分配方式相當浪費，造成目前IP地址空間耗盡，在使用目前版本互聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議IPv4的情況下，已經沒有未指派公共IP地址的區(qū)塊。

　　到目前為止，這項限制并未阻止互聯(lián)網(wǎng)成長，因為大部分計算機和連網(wǎng)裝置并不需要公共IP地址，而是使用私人IP地址，透過執(zhí)行網(wǎng)絡地址轉換 (NAT) 的路由器存取互聯(lián)網(wǎng)。NAT 不僅降低對個別公共地址的需求，也提供安全層，只有對外的路由器具有公共 IP 地址，而無法由外部直接存取私人地址范圍之中的裝置或計算機。

　　然而，必須要有使用更大的地址空間，才有可能實現(xiàn)500億臺個別尋址裝置的物聯(lián)網(wǎng)愿景。新版標準也就是所謂的IPv6，使用 128 位尋址空間，理論上能夠提供2128或約3.4×1038個地址，足以因應所有可預見的應用需求。

　　現(xiàn)代計算機操作系統(tǒng)一般可支持 IPv4 及 IPv6，不過，制程控制、自動化及保護使用的 IED，一般并不支持 IPv6。這類裝置可執(zhí)行特定作業(yè)，滿足非常嚴峻的成本要求及環(huán)保規(guī)范。為了因應這類要求所使用的電子裝置，只能提供非常有限的運算能力和內存。此外，裝置設計人員將重點放在裝置功能，通常僅實作最低限度的通訊及安全功能。在自動化領域中，基本上已采用網(wǎng)絡聯(lián)機技術來取代點對點接線。系統(tǒng)之中的裝置可透過網(wǎng)絡互相通訊，不過一般并無法向外聯(lián)機至互聯(lián)網(wǎng)。

　　雖然未來裝置廠商最終將轉移至 IPv6 尋址，但關鍵基礎設施的組織，絕對會繼續(xù)控制及限制存取其現(xiàn)場裝置。安全從業(yè)人員一般認為，使用公共互聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)場裝置通訊，會帶來嚴重的網(wǎng)絡安全及服務質量 (QoS) 疑慮。

　　通訊

　　能源產業(yè)透過變電所自動化及智能電網(wǎng)項目，獲得通訊技術和通訊協(xié)議方面的豐富經驗。就變電所而言，通訊特性為裝置對裝置，其中的關鍵需求為可靠性、低延遲及決定性行為。在能源產業(yè)方面，IEC 61850 標準已定義架構保護裝置，其基礎為使用以太網(wǎng)絡傳輸抽樣值及 GOOSE 訊息。以太網(wǎng)絡可提供快速的裝置對裝置通訊，并支持優(yōu)先級及 QoS。不過即使有了以上功能，其非決定的特質仍然招來質疑。

　　SCADA/RTU 應用特性可歸類為裝置對服務器，其時間要求并不像保護那么嚴格。這在能源產業(yè)是透過DNP3、IEC 61870-5-101/104 及 IEC 61850 等通訊協(xié)議處理，透過各種LAN及WAN通訊網(wǎng)絡傳輸。

　　即使其特性可歸類為裝置對服務器，AMI 應用的時間要求寬松許多。其中一項關鍵差異是 AMI 控制功能一般不需要及時響應。SCADA 用于控制電氣設備，因此需要能夠提供可靠及可預測行為的通訊基礎設施。另一方面，AMI 等應用執(zhí)行的控制作業(yè)非常少。大部分作業(yè)包含定期讀取電表讀數(shù)，電表斷線的控制要求非常少。因此 AMI 系統(tǒng)一般使用各種不同的通訊技術，從電力線載波 (PLC) 到各種無線方式，其中許多具有高延遲和低帶寬等問題。

　　這類通訊技術連接至公用設施時，大多利用實作場域網(wǎng)絡 (FAN) 的數(shù)據(jù)集中器，作為網(wǎng)關連往公用設施廣域網(wǎng) (WAN)。智能電網(wǎng)計劃[5]也確認及提出各種不同標準和通訊協(xié)議，其中包括 IEC 61850。

　　雖然能源產業(yè)中，裝置對裝置、裝置對服務器通訊協(xié)議均已充分定義且使用普遍，但是在提供標準化數(shù)據(jù)給商業(yè)應用方面的成果比較少。即使 CIM 和 IEC 61850 已提供互操作性基礎，智能電網(wǎng)應用大多仍于專屬的廠商獨立環(huán)境運作。

　　通訊協(xié)議

　　在互聯(lián)網(wǎng)和自動化系統(tǒng)之中，執(zhí)行數(shù)據(jù)擷取的方式大不相同。一般來說，SCADA/RTU 仍然主宰自動化領域的機器對機器通訊。電力產業(yè)使用的數(shù)據(jù)擷取通訊協(xié)議，一般為主機/從機或客戶端/服務器。SCADA 主機 (客戶端) 聯(lián)機至裝置，并定期輪詢數(shù)據(jù)。RTU 等裝置及網(wǎng)關一般會由大量實體點集中數(shù)據(jù)，透過IED直接聯(lián)機或提供。實作從機 (服務器) 的裝置聽取傳入的聯(lián)機要求，建立通訊會話，然后聽取數(shù)據(jù)讀取要求及控制作業(yè)。這是所有常見通訊協(xié)議使用的方式，包括Modbus、DNP3、IEC 61870-5-101/104 及 IEC 61850。現(xiàn)代通訊協(xié)議也支持時間戳、數(shù)據(jù)質量及主動提供報告等功能，以減少延遲及帶寬。一旦建立通訊會話，裝置就可在掃描作業(yè)間的空檔回報數(shù)據(jù)變更。

　　以上所述的所有通訊協(xié)議，均設計在各種通訊技術提供可靠作業(yè)，包括低帶寬和不可靠的傳輸?，F(xiàn)代通訊協(xié)議也能導出裝置點列表，以促進互操作性。

　　在工業(yè)層級方面，OPC UA 通訊協(xié)議取代舊型 OPC，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 理想選擇。這項客戶端/服務器通訊協(xié)議，不再綁定Microsoft Windows操作系統(tǒng)，而提供了安全性功能，支持 Web 服務接口及信息模式，目前定義為 IEC 62541。

　　不過，以上通訊協(xié)議均未使用于 IT、Web 和互聯(lián)網(wǎng)應用。前述應用使用完全不同的通訊協(xié)議系列。雖然 Web 采客戶端/服務器方式，但依據(jù)的架構不同，且使用的是無聯(lián)機的 HTTP 通訊協(xié)議。Web 瀏覽器聯(lián)機至服務器，傳送讀取或寫入要求，然后關閉聯(lián)機。Web 服務器并不會追蹤記錄聯(lián)機。這種方式提供可擴充性，可同時容納非常大量的客戶端。

　　HTTP 及其安全版本的 HTTPS，正透過使用所謂“Web 服務”的方式，增加在機器對機器通訊之中的使用情形。由于有越來越多裝置內建 Web 服務器進行設定和監(jiān)控，因此也加入可編程接口，使用具象狀態(tài)傳輸 (REST) 接口，支持存取裝置數(shù)據(jù)和設定。基本上這是以 HTTP/HTTPS 來交換結構化為 XML 或 JSON 訊息的數(shù)據(jù)。

　　緊密和松散結合架構的比較

　　客戶端/服務器相當適合自動化應用，因為系統(tǒng)架構獲得妥善定義，并且非常穩(wěn)定。SCADA 主機使用 RTU、網(wǎng)關和 IED 的地址和點列表預先設定，RTU 及網(wǎng)關則使用裝置的地址和點列表預先設定。架構因此得以緊密結合，所有裝置可安全有效地交換實時數(shù)據(jù)。不過，若要新增新裝置就必須更新系統(tǒng)設定。

　　客戶端/服務器的替代方案為發(fā)布/訂閱方式。在這類架構中，只要裝置有需要報告的數(shù)據(jù)或事件，就會主動發(fā)布訊息。有一種特殊類型的服務器會負責代理，管理消息隊列，將其組織為各個主題?？蛻舳藨贸绦蛴嗛喼黝}，以便接收數(shù)據(jù)。使用發(fā)布/訂閱及訊息，將產生松散結合的架構。新裝置可輕松新增至系統(tǒng)，并開始在特定主題發(fā)布數(shù)據(jù)?？蛻舳藨贸绦驅⒔邮諗?shù)據(jù)、識別數(shù)據(jù)源自新裝置，然后依此調整本身架構。顯然就網(wǎng)絡安全及互操作性能力而言，管理松散結合架構本身就存在著各種挑戰(zhàn)。

　　最常見的物聯(lián)網(wǎng) IoT 愿景是松散結合的裝置及傳感器網(wǎng)絡，透過傳訊架構發(fā)布數(shù)據(jù)，使用各種 Web 服務及傳訊通訊協(xié)議，例如消息隊列遙測傳輸 (MQTT)、受限應用協(xié)議 (CoAP)、數(shù)據(jù)分配服務 (DDS)、進階消息隊列協(xié)議 (AMQP)。除了AMQP 以外，以上大部分通訊協(xié)議都尚未普遍使用。AMQP 通訊協(xié)議用于金融業(yè)，支持交易模式，因此更為復雜，不適合用于邊緣裝置。就我們所知，以上通訊協(xié)議都未用于能源產業(yè)的自動化系統(tǒng)和裝置。

　　在電力產業(yè)及 IEC 61968 標準的通用信息模型 (CIM) 之中，已提案納入使用傳訊架構。使用傳訊可在裝置和企業(yè)應用程序之間建立橋梁;這兩者運作環(huán)境的需求完全不同。

　　其中一家廠商 Intel 已經提出 IoT 網(wǎng)關開發(fā)平臺，支持各式各樣的通訊技術，并提供軟件支持傳訊通訊協(xié)議及安全性。這類裝置可鏈接這兩種不同環(huán)境。

　　不過為了實現(xiàn)真正的互操作性，裝置和應用程序也必須共享通用數(shù)據(jù)模型，這就是IEC 61850和CIM為電力產業(yè)完成的成果。

　　語義

　　物聯(lián)網(wǎng)IoT 的一大挑戰(zhàn)，就是要理解傳感器產生的大量數(shù)據(jù)。廠商推動的愿景，是讓大量裝置和傳感器共同運作，提供數(shù)據(jù)給精密的軟件應用程序。不過，為了達成以上愿景，應用程序需要了解數(shù)據(jù)意義，也就是所謂的語義學。傳感器讀取的是電壓還是溫度?溫度是攝氏或華氏度數(shù)?比例系數(shù)為何?

　　為了達到互通目標，裝置需要發(fā)布自己的數(shù)據(jù)模型，而軟件應用程序則需要依此自行設定，基本上實作所謂“即插即用”的模式。

　　能源產業(yè)透過 IEC 61850 及 CIM，在數(shù)據(jù)建模和電力網(wǎng)絡“物”的語義方面，具有強大的領先優(yōu)勢。不過，我們可以發(fā)現(xiàn)愿景仍未完全實現(xiàn)，IEC 61850 所提供的，大多只有相同廠商裝置之間的互操作性。

　　云端運算

　　前幾節(jié)我們探討裝置如何通訊及產生數(shù)據(jù)，以便由應用程序處理。物聯(lián)網(wǎng)IoT 承諾的各項效益，將透過應用程序實現(xiàn)，使用前述數(shù)據(jù)產生各種寶貴信息。不過，企業(yè)應用程序相當昂貴，組織面對的挑戰(zhàn)，正是要負擔高額成本來部署及維護這類應用程序。廠商持續(xù)演進發(fā)展各項應用程序，新增各種全新功能，滿足市場及客戶需求，不過組織根本無法負擔如此迅速的變更?！叭绻麤]壞，就不要修?！?/p>

　　物聯(lián)網(wǎng)IoT 其中一大基礎是云端運算，這勢必能解決許多以上挑戰(zhàn)。美國國家標準與技術研究院 (NIST) 將云端運算定義為“可實現(xiàn)普遍、便利、隨需的網(wǎng)絡存取模型，取得共享的可設定運算資源集區(qū) (例如網(wǎng)絡、服務器、儲存設備、應用程序及服務)，能夠以最少的管理工作或服務供貨商互動迅速布建及發(fā)行?！?/p>

　　收集裝置和傳感器數(shù)據(jù)的應用程序，需要的磁盤儲存容量持續(xù)增加。透過進階分析處理此類資料，從中擷取寶貴信息和趨勢的作法，需要豐富的運算功能。維護應用程序及安裝各種更新，因應錯誤或安全問題所需的 IT 資源可能無法取得，對于規(guī)模較小的公用設施更是如此。

　　云端運算平臺提供兩種效益：受管理的基礎架構服務及軟件架構，簡化開發(fā)大規(guī)模應用程序。云端運算建構于現(xiàn)代系統(tǒng)的虛擬化功能，向組織提供隨需運算及儲存功能，并透過使用容錯系統(tǒng)及分散各地的數(shù)據(jù)中心，確保提供高可用性。最重要的是，云端運算可確保實時套用各項更新及修補程序。云端運算提供各式各樣的服務模式，因應不同的使用情況：軟件即服務 (SaaS)、平臺即服務 (PaaS)、基礎架構即服務 (IaaS)。

　　SCADA、DMS、EMS 及 FLISR 等公用設施應用程序，對公共設施營運相當重要，因為這類應用程序操作遠程裝置，管理傳輸或配電系統(tǒng)，是關鍵基礎設施的一部分。因此這類應用程序的可靠性及安全性要求非常嚴苛，一般由公用設施 IT 團隊部署于高度安全的公用設施數(shù)據(jù)中心。NERC CIP 等網(wǎng)絡安全架構及標準，要求系統(tǒng)營運商實作可稽核的安全控制功能。在公用設施數(shù)據(jù)中心內部部署及維護應用程序較為昂貴，因此提供了公用設施可完全稽核的控制功能，規(guī)定可以使用應用程序的對象，以及如何管理數(shù)據(jù)和裝置存取。

　　云端運算廠商主張自己提供的安全性層級，能夠因應所有適用需求。不過，如果在云端部署應用程序，公用設施 IT 及網(wǎng)絡安全團隊就必須仰賴第三方，喪失本身部分的控制能力。

　　然而，對重要性較低的應用程序和組織而言，云端提供的重大效益，可能比喪失控制能力更為重要。云端也能讓規(guī)模較小的公用設施，存取在其他方面無法負擔使用的應用程序。

　　公用設施可利用多重層級方式及私有云端，享有云端型解決方案的各種好處，同時也能兼顧安全性。公用設施可以選擇管理本身內部的數(shù)據(jù)擷取應用程序，由自己的私有裝置網(wǎng)絡收集數(shù)據(jù)，并使用網(wǎng)關應用程序將數(shù)據(jù)推送至云端型應用程序進行處理。

　　網(wǎng)絡安全

　　網(wǎng)絡安全必須成為物聯(lián)網(wǎng)IoT的基本特性。然而，安全從業(yè)人員多半將物聯(lián)網(wǎng)IoT視為正在發(fā)生的災難事件。500 億臺裝置聯(lián)機公共互聯(lián)網(wǎng)的愿景，將引發(fā)各界嚴重疑慮，擔心惡意軟件、大規(guī)模殭尸網(wǎng)絡，以及阻斷服務 (DDOS) 攻擊等事件普遍散布。

　　研究人員不斷發(fā)現(xiàn)內嵌式裝置的弱點，例如車輛因為內建計算機網(wǎng)絡而遭到竊取、節(jié)律器及胰島素泵遭到入侵、智能電視殭尸網(wǎng)絡等等。網(wǎng)絡安全從業(yè)人員將此歸咎于裝置制造商注重提供產品功能，但其安全技術仍十分有限。

　　IEEE P2413 工作小組已經成立子工作小組處理網(wǎng)絡安全問題，并了解所謂的四大信任要素 (Quadruple Trust)：保護、保全、隱私及安全。小組已經深入探討安全性問題，并將其作為主要原則。

　　能源產業(yè)再次因為領先發(fā)展而受益。網(wǎng)絡安全一開始就是智能電網(wǎng)計劃的關鍵要求，且已投入大量心力定義各項已于報告正式提出的需求，例如智能電網(wǎng)安全的 NIST 7628 準則。雖然這類準則并未因應 物聯(lián)網(wǎng)IoT 本身，但確實針對能源產業(yè)的各項應用定義網(wǎng)絡安全要求，涵蓋發(fā)電廠到客戶場所。此外，許多公用設施必須達到 NERC CIP 網(wǎng)絡安全標準，并由此獲得保護資產的寶貴經驗。基本上，關鍵資產必須隔離，獨立于安全的網(wǎng)絡區(qū)域，并且必須將區(qū)域之間的網(wǎng)絡流量加以限制，僅提供給獲得授權及驗證的實體;因此，深度架構必須采取分層防御。

　　達成保護、保全、隱私及安全的 NIST 四大信任要素，需要使用密碼，并因應其中產生的所有主要關鍵挑戰(zhàn)?？捎玫姆植际诫S需運算資源持續(xù)增加，引起各界疑慮擔心加密密鑰遭到暴力攻擊法破解，因此要求使用更強大的密鑰，以及更強大的裝置。在私有網(wǎng)絡隔離裝置，也可能是解決方案。

　　管理裝置生命周期

　　筆者在前一份白皮書曾經探討過，連網(wǎng)裝置管理仍會是需要因應的挑戰(zhàn)。開發(fā)應用程序和策略支持完整的裝置生命周期，是降低所有連網(wǎng)“物”整體擁有成本 (TCO) 的必要措施。目前有許多布建、調試、更新及棄置作業(yè)，仍需要由高度合格人員手動執(zhí)行。

　　在這方面，建立物聯(lián)網(wǎng) IoT 的 IT 領域大幅領先。連網(wǎng)裝置廠商提供網(wǎng)絡管理軟件 (NMS) 支持其裝置。不過，這類軟件一般用于支持單一廠商裝置，執(zhí)行非常充分定義的功能。目前正在努力定義標準接口，規(guī)定哪些裝置可以發(fā)布本身功能，并以編程方式管理。只是開發(fā)通用管理平臺仍是挑戰(zhàn)，甚至在經濟考慮上也不太可行。

　　結論

　　本白皮書試概述實作物聯(lián)網(wǎng) IoT 的部分現(xiàn)有技術，以及與能源產業(yè)現(xiàn)行努力成果的相關性。

　　物聯(lián)網(wǎng)IoT 將站穩(wěn)腳步繼續(xù)發(fā)展。參照 Gartner 技術成熟度曲線 (Gartner Hype Cycle)，我們可以表示 物聯(lián)網(wǎng)IoT 愿景的觸發(fā)因素，是廣泛采用的互聯(lián)網(wǎng)，以及依據(jù)通用網(wǎng)絡聯(lián)機技術不斷增加的聯(lián)機裝置。IoT 目前處于“期望膨脹的高峰期”(Peak of Inflated Expectations)。工業(yè)及電力產業(yè)的所有主要廠商，目前都推出 物聯(lián)網(wǎng)IoT 計劃并推動其愿景。

　　我們已經了解物聯(lián)網(wǎng) IoT 已自然地連結到能源產業(yè)的現(xiàn)行努力成果。裝置及傳感器大量部署，協(xié)助管理電力基礎設施。雖然這類裝置可能絕對不會透過公共互聯(lián)網(wǎng)連網(wǎng)，但其數(shù)據(jù)可利用 IEC 61850 及 CIM 加以結構化及建模，并使用傳訊技術和 Web 服務在企業(yè)層級交換。進階軟件應用程序可利用云端型平臺提供的功能加以開發(fā)，以便提供公用設施各項寶貴信息，實現(xiàn)優(yōu)化作業(yè)。不過，以上解決方案可能將以私有云端為基礎，并含有透過安全 Web 接口及 Web 服務型 API 公開的數(shù)據(jù)子集。