深入淺出以太網(wǎng)交換機綜合性能

0 引言

20世紀90年代中期至21世紀初，各DCS廠(chǎng)商以信息技術(shù)的發(fā)展為依托，先后推出了集成高速工業(yè)以太網(wǎng)的第三代開(kāi)放型DCS并已在現代化大工業(yè)中得到了大量的應用。由于工業(yè)以太網(wǎng)使用了通用以太網(wǎng)協(xié)議IEEE802.3，一方面使原來(lái)封閉的DCS變?yōu)殚_(kāi)放的DCS網(wǎng)絡(luò )，使網(wǎng)絡(luò )中原來(lái)使用的專(zhuān)用設備變?yōu)榭扇我獠灏蔚墓I(yè)用通用設備，大大降低了系統運行中的備品備件成本和維護難度;另一方面，使得DCS作為基礎控制系統而進(jìn)行控制系統集成(采用OPC，Modbus等協(xié)議與PLC，IT02，SIS，MMS等系統通信)，并作為所有生產(chǎn)信息數據匯總和上傳的集成化數據平臺;再者，使DCS與上層的信息管理網(wǎng)(MES和ERP及工程局域網(wǎng))和Internet的連接變得非常方便。同時(shí)，也正是由于工業(yè)以太網(wǎng)的廣泛應用，對DCS網(wǎng)絡(luò )運行的安全也造成了很大的沖擊：裝置事故狀態(tài)下的系統網(wǎng)絡(luò )通信安全及可能會(huì )受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò )安全威脅。為確保DCS網(wǎng)絡(luò )的安全運行，在系統選型、設計和實(shí)施過(guò)程中必須制訂一套切實(shí)可行的安全對策。

1 工業(yè)以太網(wǎng)的應用現狀及發(fā)展趨勢

一般來(lái)講，控制系統網(wǎng)絡(luò )叮分為3層：信息層、控制層和設備層(傳感/執行層)。第三代DCS在信息層大都采用以太網(wǎng)，而在控制層和設備層一般采用不同的現場(chǎng)總線(xiàn)或其他專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )。目前，以太網(wǎng)已經(jīng)滲透到了控制層和設備層，很多的PLC和遠程I/O供應商都能提供支持TCP/IP以太網(wǎng)接口的產(chǎn)品。以太網(wǎng)之所以在自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛應用，主要因為：低成本的刺激和速度的提高;現代企業(yè)對實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息有越來(lái)越多的要求;以太網(wǎng)的開(kāi)放性和兼容性。

以太網(wǎng)原有的缺點(diǎn)則由于技術(shù)的不斷進(jìn)步而獲得大幅改進(jìn)和完善。從以太網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)程來(lái)看，以太網(wǎng)有兩種：共享以太網(wǎng)(Shared Ethernet)和交換以太網(wǎng)(Switched Ethernet)。早期使用的共享以太網(wǎng)是多節點(diǎn)共享同一個(gè)傳輸媒體，節點(diǎn)間通信采用廣播方式，易發(fā)生沖突，使網(wǎng)絡(luò )通信具有不確定性，不能用于強實(shí)時(shí)性場(chǎng)合?，F在常用的交換以太網(wǎng)克服了這一缺點(diǎn)，以太網(wǎng)的交換機(Switch)是數據鏈路層(ISO/0SI參考模型第二層)的多端口網(wǎng)橋，也可以說(shuō)是智能分配器。交換機將其管理的網(wǎng)絡(luò )以星型拓撲結構劃分為許多物理上互相隔離而邏輯上互相聯(lián)系的節點(diǎn)，每一節點(diǎn)單獨與交換機建立物理連接，在通信的時(shí)候交換機會(huì )在發(fā)送端口與接受端口間建立一個(gè)獨占的全雙工通道，它具有以太網(wǎng)的全部帶寬并避免沖突。

交換以太網(wǎng)在獲得確定性的同時(shí)，傳輸速度也有極大的提高。千兆以太網(wǎng)已普及，10 Gbit/s的交換以太網(wǎng)正在開(kāi)發(fā)。當以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時(shí)，應用層含有HTTP(超級文本傳輸協(xié)議)、FTP(文件傳輸協(xié)議)、SMTP(簡(jiǎn)單電子郵件傳送協(xié)議)和Telnet(遠程登錄)。這些基于TCP/IP的協(xié)議簇已經(jīng)成為工業(yè)界事實(shí)上的網(wǎng)絡(luò )標準，在不同廠(chǎng)商的不同網(wǎng)絡(luò )系統互聯(lián)方面起著(zhù)關(guān)鍵作用。但當以太網(wǎng)用于工業(yè)控制時(shí)，體現在應用層的是實(shí)時(shí)通信、用于系統組態(tài)的對象以及工程模型的應用協(xié)議。工業(yè)以太網(wǎng)和Internet技術(shù)的發(fā)展將完全改變傳統工業(yè)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò )架構。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)從信息層向下延伸到控制層和設備層，采用以太網(wǎng)架構以后，控制器的位置已突破傳統網(wǎng)絡(luò )架構的限制，既可以位于現場(chǎng)，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至遠程I/0支持以太網(wǎng)的功能越來(lái)越強，在有些控制器和遠程I/0模塊中已經(jīng)集成了Web服務(wù)器，從而允許信息層的用戶(hù)也可以和控制層的用戶(hù)一樣直接獲取控制器和遠程I/0模塊中的當前狀態(tài)值。采用以太網(wǎng)架構和開(kāi)放的軟件系統的制造企業(yè)也被稱(chēng)為“透明工廠(chǎng)”。此外，通過(guò)Internet可以實(shí)現對工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)遠程監控，將實(shí)時(shí)生產(chǎn)數據與ERP系統以及實(shí)時(shí)的用戶(hù)需求結合起來(lái)，使生產(chǎn)不只是面向訂單的生產(chǎn)，而是直接面向機會(huì )和市場(chǎng)的“電子制造”，從而使企業(yè)能夠適應經(jīng)濟全球化的要求。

2 工業(yè)以太網(wǎng)在應用中的安全隱患

圖1為某大型石化項目成功實(shí)施的一套完整的工業(yè)以太網(wǎng)DCS網(wǎng)絡(luò )結構及其與上層信息管理網(wǎng)接口界面圖。眾所周知，一套控制系統的安全隱患除了自身的影響外，就是來(lái)自外部界面的威脅。從圖1中可以看出，影響工業(yè)以太網(wǎng)DCS網(wǎng)絡(luò )安全的隱患主要有：以太網(wǎng)運行速度及負荷、網(wǎng)絡(luò )連接和服務(wù)器終端等設備的可靠性;工業(yè)以太網(wǎng)與上層信息管理網(wǎng)接口、工業(yè)以太網(wǎng)與第三方()PC接口子系統之間的界面;操作站、工程師站和服務(wù)器之間的界面。

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圖1 工業(yè)以太網(wǎng)DCS網(wǎng)絡(luò )結構及其與上層信息管理網(wǎng)接口界面