工業(yè)以太網(wǎng)在實(shí)際應(yīng)用中安全對(duì)策解決方案
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時(shí)間：2014-02-22
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
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一、工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
一般來(lái)講，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可分為3層：信息層、控制層和設(shè)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(shè)備層一般采用不同的現(xiàn)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(shè)備層，很多的PLC和遠(yuǎn)程I/O供應(yīng)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(yīng)用，主要因?yàn)椋旱统杀镜拇碳ず退俣鹊奶岣?；現(xiàn)代企業(yè)對(duì)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(jié)點(diǎn)共享同一個(gè)傳輸媒體，節(jié)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(qiáng)實(shí)時(shí)性場(chǎng)合?，F(xiàn)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(jī)(Switch)是數(shù)據(jù)鏈路層(ISO/OSI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(jī)將其管理的網(wǎng)絡(luò)以星型拓?fù)浣Y(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(diǎn)，每一節(jié)點(diǎn)單獨(dú)與交換機(jī)建立物理連接，在通信的時(shí)候交換機(jī)會(huì)在發(fā)送端口與接受端口間建立一個(gè)獨(dú)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，10Gbit/s的交換以太網(wǎng)正在開(kāi)發(fā)。當(dāng)以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時(shí)，應(yīng)用層含有 HTTP(超級(jí)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)，在不同廠(chǎng)商的不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互聯(lián)方面起著關(guān)鍵作用。但當(dāng)以太網(wǎng)用于工業(yè)控制時(shí)，體現(xiàn)在應(yīng)用層的是實(shí)時(shí)通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對(duì)象以及工程模型的應(yīng)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(luò)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(shè)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(luò)架構(gòu)的限制，既可以位于現(xiàn)場(chǎng)，也可以位于中央控制室。
目前控制器甚至遠(yuǎn)程I/O支持以太網(wǎng)的功能越來(lái)越強(qiáng)，在有些控制器和遠(yuǎn)程I/O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(yuǎn)程I/O模塊中的當(dāng)前狀態(tài)值。采用以太網(wǎng)架構(gòu)和開(kāi)放的軟件系統(tǒng)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(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，將實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與ERP系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)的用戶(hù)需求結(jié)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(jī)會(huì)和市場(chǎng)的“電子制造”，從而使企業(yè)能夠適應(yīng)經(jīng)濟(jì)全球化的要求。
二、工業(yè)以太網(wǎng)在應(yīng)用中的安全隱患
某大型石化項(xiàng)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(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(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(yùn)行速度及負(fù)荷、網(wǎng)絡(luò)連接和服務(wù)器終端等設(shè)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OPC接口子系統(tǒng)之間的界面；操作站、工程師站和服務(wù)器之間的界面。
2.1 網(wǎng)絡(luò)自身問(wèn)題帶來(lái)的安全隱患
工業(yè)以太網(wǎng)主要由網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備(服務(wù)器、工程師站、操作站及控制器等)和網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備(交換機(jī)、防火墻、路由器等)組成，但影響安全的因素主要是網(wǎng)速和設(shè)備的可靠性。
2.1.1 網(wǎng)速對(duì)安全的影響
由于工業(yè)以太網(wǎng)的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)層協(xié)議采用帶碰撞檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多址訪(fǎng)問(wèn)(CSMA/CD)方式，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的確定性不能滿(mǎn)足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性要求。有資料顯示當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷低于36%時(shí)，基本上不會(huì)發(fā)生沖突，在負(fù)荷為10%以下時(shí)，10M以太網(wǎng)沖突幾率為每5年一次。100M以太網(wǎng)沖突幾率為每15年一次。但超過(guò)36%后隨著負(fù)荷的增加發(fā)生沖突的幾率是以幾何級(jí)數(shù)的速度增加的。如果正常情況下的網(wǎng)速太高，在生產(chǎn)裝置事故狀態(tài)下則由于訪(fǎng)問(wèn)量的急劇增加而大幅提高工業(yè)以太網(wǎng)的負(fù)荷，從而影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度和裝置事故的及時(shí)處理和安全。
評(píng)論