智慧地构建工业以太网

        以太网曾经被认为仅用于办公室白领的网络，但是它的蓝领兄弟－经常提到的工业以太网－正在快速地向工业现场转移。根据自动化研究与咨询顾问集团（ARC Advisory Group）的报告，以太网正成为制造控制网络的选择技术。ARC预计在下一个5年中，会有数以百万计的基于工业以太网的设备，部署到制造企业的自动化应用之中。

        在网络标准被广泛理解的今天，把以太网用于工业行业，可以获得很多收益，包括节省成本、提高信息的可用性和在工业现场广泛多领域应用中伸缩性的支持。仅仅部署一个基于以太网的工业网络还远远不够，还要维护这个网络的高性能和高安全性，所以要实施智能的以太网服务。

        网络智能涉及到三个关键区域的网络最优化：可靠性、确定性和安全性。一个智能网络的例子是EtherNet/IP，它是引领开放工业网络的一员，提供了很多工业特性和对TCP/IP/UDP 标准的支持，并推出了一系列基于工业现场的服务。

可靠性和可用性

        工业以太网是否可靠和可用，决定了制造生产的连续和持续。根据现场维护的经验，很多的网络问题出现在布线的设计和布线的安装方面。布线设计和安装要遵循的原则包括：动力线和信号线用槽架隔离或者具有标准的间隔；布线同样要躲避大功率的电机、变频器、接触器和风机等；信号线采用带屏蔽的以太网超五类线；通信采用全双工方式；屏蔽线多采用单端接地的方式；网络负载控制在35％之内；恶劣环境要使用铠装电缆；特殊环境要使用IP67等级的防水接头、端子、I/O、交换机等。

        常见的最佳实践包括：
        1. 按照标准设计工业网络的布线。
        2. 选择和使用质量良好的电缆和接头。
        3. 撰写和保存好布线设计文档。
        4. 对布线设计进行验证。
        5. 对安装的电缆、连接器、终端器进行编码和标记。
        6. 对屏蔽线进行接地和等电位连接。
        7. 安装的验证和验收测试。

        另外，如果一个网络的链接出现失效时，它还必须能够快速地恢复。两种以太网的标准支持网络冗余：生成树协议（STP）和快速生成树协议（RSTP）。设计的这些协议是为了能够使网络调整它的拓扑结构，重新定义“从A点到B点”的数据路径，用于连接网上的每个设备。在以太网上，STP应该是一个缺省特性，RSTP可以进行配置，使网络需要的恢复时间可以缩短到秒级。

        上面介绍的是用于IT网络或者说是办公室环境下以太网所使用的冗余技术，但对于工业以太网来说，秒级的恢复时间远远满足不了使用的要求。因此，最近IEC推出了IEC 62439标准：高可用性自动化网络，其中推荐了6种冗余协议，这些网络的切换时间达到了毫秒、甚至是微妙级。他们分别是：
        1. 介质冗余协议（Media Redundancy Protocol，MRP），它是基于环型拓扑的恢复协议。
        2. 并行冗余协议（Parallel Redundancy Protocol，PRP）是在设备上实现冗余的协议，终端节点连接到并行运行且具有相似特性的两个LAN上，在发送链路或交换机出现故障时，实现快速切换。
        3. 跨网冗余协议（Cross-network Redundancy Protocol，CRP）是基于网络副本规定的冗余协议，协议在终端节点内执行，与建立在交换机上的冗余网络是相对的。
        4. 信标冗余协议（Beacon Redundancy Protocol，BRP）是建立在标准以太网ISO/IEC 8802-3、IEEE 802.1技术和冗余基础结构上的网络。
        5. 分布冗余协议（Distributed Redundancy Protocol，DRP）是我国自主知识产权的实现高可用性自动化网络的技术标准。DRP基于ISO/IEC 8802-3和IEEE 802.1的标准，实现通信链路冗余。
        6. 环路冗余协议（Ring-based Redundancy Protocol，RRP）。

        用户应根据工厂的实际要求选择合适的高可用性网络。

确定性和实时性

        EtherNet/IP的运行使用我们熟悉被称为的“生产者/消费者”模型，其中智能设备把数据流发送到网络上，使得任何想要读取这个数据的设备都可以得到它。为了实现这种通信方式，EtherNet/IP使用标准TCP/IP栈中的 “多播”功能（也称组播）。根据定义，多播数据缺省地传送给网络上的每个设备。在某些自动化配置中，用户需要减少网络中的负载，可以仅在需要数据的区域或者设备，使用多播通信。

        两种智能交换特性是限制通信的基础：虚拟局域网（VLAN）和因特网组管理协议（IGMP）。VLAN限制多播传送，只能把信息传送到特定的网络。支持IGMP侦听的交换机不会把数据传送到不需要它的设备。VLAN非常容易配置，IGMP侦听需要使能，做为缺省特性。

        一个共同的误解是以太网不是一个确定性的技术。这里需要做一些澄清。使用交换机的全双工传输达到了确定性的水平，对大多数应用而言是能满足要求的，而使用集线器的半双工传输则不能提供任何等级的确定性，所以应该尽量避免使用。特别在数据传输过载的情况下，网络需要怎样配置才能确保确定性呢？ 这就是服务质量（QoS）要解决的问题。

        QoS标准规定数据多了需要“排队”。排队机制可以为不同数据类型预先定义优先等级。比如，队列中的最高级别分派给关键性的数据（诸如控制信息）。这就保证了这些信息总是比其他报文更优先传输，保证控制信息在网络上的实时性，甚至在非常拥挤的时候也能维持网络性能。其他类型的通信分派给较低的优先级。比如，下一个优先级分配给报警，然后是配置、性能监视和健康诊断等。

QoS参数可以根据很多变量来指派：
        1．报文优先，这种标准被称为IEEE802.1p，它是在标准以太网的帧中增加了4个字节，其中有3个二进制位可用于定义优先等级，四等优先级分别是：1&2：低，0&3：中，4&5：高，6&7：管理。接收数据包的分类由交换机数据包优先级分类的功能来完成。当数据通信负载很重时，这个功能可防止高优先级数据被低优先级数据干扰。当存储器或者传输通道超载时，低优先级的数据被放弃。

        2．端口优先，在实时的工业以太网中，使用一种称之为管理型工业以太网交换机，通过对端口的设置，可以定义交换机端口的优先级别；优先级信息加载到交换机后，不需要特殊的终端设备软件就可以处理这个优先级功能。不带优先级信息的包（无VLAN 或者优先级标签），可按端口优先级传送。对每个端口，包的优先级别可以分别定义：0 = 低优先级，7 = 高优先级。 

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图1：IEEE802.1p标准中附加的4个字节

        采用分段、多层的网络模式可以提高网络的实时性能；比如在单元/区域中，设计成多个小型的局域网和虚拟局域网(VLAN)，可以更好地管理网络，实现确定性通讯。

        推荐的最佳实践如下：
        1．通过服务质量 (QoS)中的报文优先级（IEEE802.1p）、端口优先级、VLAN标签（IEEE802.1q）、流量控制，提高实时性。
        2．使用管理型交换机。在骨干线/上行链路的使用千兆以太网接口，减少等待时间和信号扰动。
        3．使用IP 多点传送机制，采用多播（组播）传送；减少点到点、广播式传送，控制负载流量。
        4．采用多层、小型的网络设计，保证数据传送的确定性。

安全性和完整性

        工业现场设备到设备的数据传送是否能确保安全和完整，这在功能安全的系统中尤为重要。随着对功能安全系统理解的深入，我们知道，为了保证系统的SIL等级，系统回路的各个环节都要保证相同的SIL等级，比如：传感器、控制器和执行器都要选择相同的SIL等级，才能保证系统的安全等级，否则SIL会出现在系统的短板上。

        同样，随着系统物理尺寸的扩展和控制系统的分布，采用网络连接功能安全组件已成为必然，这样就提出了网络功能安全问题，否则网络就会成为功能安全系统的短板。为此，IEC在IEC 61784-3：工业通信网络－行规第3部分中，定义了功能安全现场总线或网络，现有的8种总线或网络如下：
        1. FF-SIS：基于第一类通信行规（CP1）FF现场总线基金会；
        2. CIP Safety：基于第二类通信行规（CP2）CIP公共工业协议；
        3. PROFIsafe：基于第三类通信行规（CP3）PROFIBUS、PROFINET；
        4. INTERBUS Safety：基于第六类通信行规（CP6）INTERBUS；
        5. CC-Link Safety：基于第八类通信行规（CP8）CC-Link；
        6. Ethernet POWERLINK safety：基于第十三类通信行规（CP13）以太网 POWERLINK；
        7. EPASafety：基于第十四类通信行规（CP14）EPA；
        8. SafetyNet：基于第十八类通信行规（CP18）SafetyNet。

        这里所说的功能安全现场总线或网络，并不意味着使用特殊的网络连接设备和网络电缆，而是在原有的网络上增加对传输数据的诊断，一旦发现数据出错，即数据的接收与发送的不一致，就要及时报警重发，保证数据的正确。例如：在CIP Safety的协议中，使用了5种方法可以对常见的9种错误进行诊断，见下表：

表1：5种检测方法可查出9种通信错误

        另外，当提到工业以太网的安全（安保）时，通常有两个比较关心的问题会提出来。第一个问题是在工厂级，在什么地方部署防火墙和虚拟私有网（VPN），来保护整个工厂，防止来自外面的威胁。第二个问题是在实际的生产线中，在什么地方实施网络保护，防止与生产工厂无关的数据插入到生产的数据中来。

        比如，生产线只需要传输控制和配置数据 — 一个大因特网文件的下载是不应该通过生产网络的。如果一个雇员偶然把一台笔记本电脑接入到错误的网络端口上，则不允许这台笔记本把数据传送到生产网络中。

        这些问题都可以使用一种智能服务－称为访问控制服务来解决。访问控制列表（ACL）根据预先设置的参数限制访问，基于与描述QoS同样的变量。保护的网络不会阻碍具有授权的端口、设备、网络或者应用的任何数据。

        工业控制系统不同网络之间的信息流需要进行分类传送，互不干扰，这样可以保证现场控制信息不被其他数据插入，保证控制动作的安全。

        外部计算机对工业控制系统的访问需要提供安全服务。企业的工业控制系统网络是相对封闭的。但有时需要通过远程计算机或者合作伙伴对该网络进行访问，所以增加防火墙、构建虚拟私有网是解决问题的基本方法。

        推荐隔离层的最佳实践有：
        1. 访问制造区域的路径是唯一的；
        2. 没有通讯直接经过DMZ（隔离区）；
        3. 在逻辑防火墙上没有通用协议；
        4. 在DMZ上建立功能分区，分段访问数据和服务 (例如：合作伙伴区域)；
        5. 没有控制通信进入DMZ (或极少量的，不超出DMZ规定量）；
        6. 限制 DMZ的外部连接；
        7. 识别信任域和适当的应用安全，维持安全策略, 像防火墙一样。

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图2：制造企业工业网络的分层和隔离

        一个坚固、智能的网络构建了一个强壮的工业系统。网络可以灵活处理基于IP的任何技术。比如，IEEE 802.11无线应用最后会融合到同样的基础结构之中。

展望未来

        一个坚固、智慧的网络要高于一个标准的工业以太网系统。网络基础架构可以融合各种基于TCP/IP标准的技术。现在，无线以太网标准802.11 a/b/g 的应用可以融合于同一个网络架构之中。基于IP的声音（VoIP）网络也可以很容易地实施到这个网络里来。最终，原来工厂中的同轴电缆视频网络也可以升级到这个全IP的视频模式。

图3：IEC 62443中给出的企业参考网络

        所有这些网络（生产、无线接入、声音和视频）应该从逻辑上给予分开和保护：这些应用的数据不要混合。由于部署它们使用的是同样的网络硬件和软件技术，所以整体的安装和运行费用会大大地节省，使企业具有极大的竞争力。

        以太网是一个令人激动的技术，工业现场会由此而受益匪浅。部署一个智能的以太网是非常重要的，支持集成架构，着重解决工业当中需要解决的可靠性、确定性和安全性问题。当企业的所有应用都在高性能、可伸缩的以太网平台上运行时，投入的资金会很快地得到回收。

（罗克韦尔自动化 华镕）

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