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)的第三代開放型DCS并已在現(xiàn)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IEEE802.3，一方面使原來封閉的DCS變?yōu)殚_放的DCS網(wǎng)絡，使網(wǎng)絡中原來使用的專用設備變?yōu)榭扇我獠灏蔚墓I(yè)用通用設備，大大降低了系統(tǒng)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(tǒng)而進行控制系統(tǒng)集成(采用OPC，Modbus等協(xié)議與PLC，IT02，SIS，MMS等系統(tǒng)通信)，并作為所有生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)匯總和上傳的集成化數(shù)據(jù)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，也正是由于工業(yè)以太網(wǎng)的廣泛應用，對DCS網(wǎng)絡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(tǒng)網(wǎng)絡通信安全及可能會受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡安全威脅。為確保DCS網(wǎng)絡的安全運行，在系統(tǒng)選型、設計和實施過程中必須制訂一套切實可行的安全對策。

1 工業(yè)以太網(wǎng)的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

一般來講，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡叮分為3層：信息層、控制層和設備層(傳感/執(zhí)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(xiàn)場總線或其他專用網(wǎng)絡。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(xiàn)代企業(yè)對實時生產(chǎn)信息有越來越多的要求;以太網(wǎng)的開放性和兼容性。

以太網(wǎng)原有的缺點則由于技術(shù)的不斷進步而獲得大幅改進和完善。從以太網(wǎng)的發(fā)展進程來看，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(jié)點共享同一個傳輸媒體，節(jié)點間通信采用廣播方式，易發(fā)生沖突，使網(wǎng)絡通信具有不確定性，不能用于強實時性場合?，F(xiàn)在常用的交換以太網(wǎng)克服了這一缺點，以太網(wǎng)的交換機(Switch)是數(shù)據(jù)鏈路層(ISO/0SI參考模型第二層)的多端口網(wǎng)橋，也可以說是智能分配器。交換機將其管理的網(wǎng)絡以星型拓撲結(jié)構(gòu)劃分為許多物理上互相隔離而邏輯上互相聯(lián)系的節(jié)點，每一節(jié)點單獨與交換機建立物理連接，在通信的時候交換機會在發(fā)送端口與接受端口間建立一個獨占的全雙工通道，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，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)正在開發(fā)。當以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時，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)界事實上的網(wǎng)絡標準，在不同廠商的不同網(wǎng)絡系統(tǒng)互聯(lián)方面起著關(guān)鍵作用。但當以太網(wǎng)用于工業(yè)控制時，體現(xiàn)在應用層的是實時通信、用于系統(tǒng)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(tǒng)工業(yè)企業(yè)的網(wǎng)絡架構(gòu)。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(gòu)以后，控制器的位置已突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)的限制，既可以位于現(xiàn)場，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服務器，從而允許信息層的用戶也可以和控制層的用戶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(gòu)和開放的軟件系統(tǒng)的制造企業(yè)也被稱為“透明工廠”。此外，通過Internet可以實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的實時遠程監(jiān)控，將實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)與ERP系統(tǒng)以及實時的用戶需求結(jié)合起來，使生產(chǎn)不只是面向訂單的生產(chǎn)，而是直接面向機會和市場的“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施的一套完整的工業(yè)以太網(wǎng)DCS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)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(tǒng)的安全隱患除了自身的影響外，就是來自外部界面的威脅。從圖1中可以看出，影響工業(yè)以太網(wǎng)DCS網(wǎng)絡安全的隱患主要有：以太網(wǎng)運行速度及負荷、網(wǎng)絡連接和服務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(tǒng)之間的界面;操作站、工程師站和服務器之間的界面。

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圖1 工業(yè)以太網(wǎng)DCS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及其與上層信息管理網(wǎng)接口界面