工业以太网演讲

1、工业以太网 Industrial Ethernet什么是工业以太网？ 工业以太网是以以太网、甚至是互联网系列技术延伸到工业应用环境的产物。工业以太网既属于信息网络技术，也属于控制网络技术，是一揽子解决方案的集合。 工业以太网源于以太网而又不同于以太网。互联网及普通计算机网络采用的以太网技术原本并不适应控制网络和工业环境的应用需求。工业以太网要在继承或部分继承以太网原有技术核心的基础上，应用适应工业环境、通信实时性、时间发布、各节点的时间同步、网络的功能安全与信息安全等，提出相应的解决方案，并添加控制应用功能，还要针对某些特殊的工业应用场合提出的网络供电、本安防爆等要求给出解决方案。 工业以太网

2、是一系列技术的总称，其技术内容丰富，涉及企业网络的各个层次，但它并不是一个不可分割的技术整体。在涉及到某一应用环境，并不一定涉及各个方面、一应俱全的解决方案。应根据使用场合的技术特点与需求、工作环境、产品的性能价格比等因素，分别选取。现场总线的来源及发展趋势随着科学技术的快速发展，过程控制领域在过去的两个世纪里发生了巨大的变革。150多年前出现的基于513psi的气动信号标准，标志着控制理论初步形成；20世纪50年代，随着基于010V或420mA的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用，标志了电气自动控制时代的到来，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础，设立控制室、控制功能分离的

3、模式也一直沿用至今； 20世纪70年代，随着数字计算机的介入，产生了“集中控制”的中央控制计算机系统，而信号传输系统大部分是依然沿用420mA的模拟信号，不久人们也发现了伴随着“集中控制”，该系统存在着易失控、可靠性低的缺点，并很快将其发展为分布式控制系统（DCS）；微处理器的普遍应用和计算机可靠性的提高，使分布式控制系统得到了广泛的应用。随着微处理器的快速发展和广泛的应用，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，产生了以微处理器为核心，使用集成电路代替常规电子线路，实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。设备之间彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更

4、高的要求。由此，导致了现场总线的产生。发展趋势：一是寻求统一的现场总线国际标准一是寻求统一的现场总线国际标准 二是二是Industrial EthernetIndustrial Ethernet走向工业控制网络走向工业控制网络为什么以前不用Ethernet作现场总线Ethemet区别于其他网络(如令牌网、令牌环网、主从式网络等)的重要特点是，它采用的介质访问控制方法一CSM ACD(carrier sense multiple access with collision detection，冲突检测载波监听多点访问),是一种非确定性或随机性通信方式。其基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监

5、听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送，并同时继续监听网络；如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，将发生碰撞，同时节点立即停止发送，并等待一段随机长度的时间后重新发送。16次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。-不确定性导致网络可靠性很差 Ethemet没有用于现场总线的另外一个重要原因是，作为工业现场智能设备的核心组成部分 微处理器，在20世纪80年代时还处于初期发展阶段，功能简单，数字处理能力不强，不能处理Ethemet上“捆绑”使用的TCPIP协议。-处理能力差导致系统不能有效识别和处理现场信息，导致系统安全性差工业以太网的优点 工业以太网技术

6、具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络之一。近些年来,随着网络技术的发展,以太网进入了控制领域,形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展,开放的、透明的通讯协议是必然的要求。以太网技术引入工业控制领域，其技术优势非常明显：1.Ethernet是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议不同厂商的设备可以很容易实现互联。2.以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络。工业以太网的优点3.软硬件成本低廉，由于以太网技术已经非常成熟，支持以太网的软硬件

7、受到厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。4.通信速率高，随着企业信息系统规模的扩大和复杂程度的提高，对信息量的需求也越来越大，有时甚至需要音频、视频数据的传输，当前以太网的通信速率为10M、100M的快速以太网开始广泛应用，千兆以太网技术也逐渐成熟，10G以太网也正在研究，其速率比现场总线快很多。5.可持续发展潜力大，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。工业以太网的相关协议国际上形成的工业以太网的四大阵营：主要用于离散制造控制

8、系统的是：Modbus-IDA工业以太网、Ethernet/IP工业以太网、 PROFInet工业以太网主要用于过程控制系统的是：Foundation Fieldbus HSE工业以太网Modbus TCP/IP协议协议: 该协议由施耐德公司推出，以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中，使Modbus与以太网和TCP/IP结合，成为Modbus TCP/IP。这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答，这种呼叫/应答的机制与Modbus的主/从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的 确定性，利用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好。 工业以太网的相关协议E

9、thernet/IP协议协议: Ethernet/IP协议是适合工业环境应用的协议体系。它是由ODVA(Open Devicenet Vendors Asso-cation)和Control Net International两大工业组织推出的最新成员与Device Net和Control Net一样，它们都是基于CIP(Controland Information Proto-Col)协议的网络。它是一种是面向对象的协议，能够保证网络上隐式(控制)的实时I/O信息和显式信息(包括用于组态、参数设置、诊断等) 的有效传输。Ethernet/IP采用和Devicenet以及ControlNet相

10、同的应用层协议CIP。因此，它们使用相同的 对象库和一致的行业规范，具有较好的一致性。Ethernet/IP采用标准的Ethernet和TCP/IP技术传送CIP通信包，这样通用且开放的应 用层协议CIP加上已经被广泛使用的Ethernet和TCP/IP协议，就构成Ethernet/IP协议的体系结构。工业以太网的相关协议ProflNet协议：协议： 针对工业应用需求，德国西门子于2001年发布了该协议，它是将原有的Profibus与互联网技术结合，形成了ProfiNet的网络方案，主要包括： 基于组件对象模型(COM)的分布式自动化系统; 规定了ProfiNet现场总线和标准以太网之间的开放

11、、透明通信; 提供了一个独立于制造商，包括设备层和系统层的系统模型。 ProfiNet采用标准TCP/IP十以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。现有的Profibus网段可以通过一个代理设备(proxy)连接到ProfiNet网络当中，使整Profibus设备和协议能够原封不动地在 Pet中使用。传统的Profibus设备可通过代理proxy与ProFiNET上面的COM对象进行通信，并通过OLE自动化接口实现COM对象间的 调用。工业以太网的相关协议HSE协议：协议：

12、基金会现场总线FF于2000年发布Ethernet规范，称HSE(High Speed Ethernet)。HSE是以太网协议IEEE802.3，TCP/IP协议族与FFIll的结合体。FF现场总线基金会明确将HSE定位于实现控制网 络与Internet的集成。HSE技术的一个核心部分就是链接设备，它是HSE体系结构将Hl(31.25kb/s)设备连接 100Mb/s的HSE主干网的关键组成部分，同时也具有网桥和网关的功能。网桥功能能够用于连接多个H1总线网段，使同H1网段上的H1设备之间能够进 行对等通信而无需主机系统的干涉;网关功能允许将HSE网络连接到其他的工厂控制网络和信息网络，HSE

13、链接设备不需要为H1子系统作报文解释，而是将来自H1总线网段的报文数据集合起来并且将Hl地址转化为IP地址。Ethernet应用于工业现场尚需解决的主要问题Ethernet实时通信服务质量实时通信服务质量(Quality of Service，QoS)支持策略支持策略 所谓实时通信服务质量，是指以太网应用于工业控制现场时，为满足工业自动化实时控制要求，而提出的一系列通信特征需求，这些特征包括响应延迟、传输延迟、吞吐量、可靠性、传输失败率、优先级。网络安全性网络安全性 将工业现场控制设备通过以太网联接起来时，由于使用了TCPIP协议，因此可能会受到包括病毒、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁

14、，并因此成为众人关心的另一个重要问题。对此，一般可采用网络隔离(如网关、服务器等隔离)的办法，将控制区域内部控制网络与外部信息网络系统分开。此外，还可以通过用户密码、数据加密、防火墙等多种安全机制加强网络的安全管理。Ethernet应用于工业现场尚需解决的主要问题网络可用性：网络可用性：亦可称为网络生存性，是指系统中，任何一组件发生故障，都不应导致操作系统、网络、控制器和应用程序以至于整个系统的瘫痪。它包括可靠性、可恢复性、可管理性等几个方面的内容可靠性可靠性: :组成分布式网络控制系统的控制器、IO模块、操作站、工程师站等硬件设备应满足环境适应性要求，相应的软件(包括设备驱动软件、应用程序、

15、操作系统等)必须工作稳定、可靠可恢复性可恢复性: :是指当系统中任一设备或网段发生故障而不能正常工作时，系统能依靠事先设计的自动恢复程序将断开的网络链路重新链接起来，并将故障进行隔离。同时，系统能自动定位故障，以使故障能够得到及时修复可管理性可管理性: :是高可用性系统的最受关注的焦点之一。通过对系统和网络的在线管理，可以及时地发现紧急情况，并使得故障能够得到及时的处理。可管理性一般包括性能管理、配置管理、在线变化管理等过程。Ethernet应用于工业现场尚需解决的主要问题满足通信一致性和互可操作性的应用层、用户层协议规范满足通信一致性和互可操作性的应用层、用户层协议规范从ISOOSI的七层通

16、信参考模型来看，以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层；而在其之上的网络层和传输层协议，目前以TCPIP协议为主，表示层、应用层等没有作技术规定，应用较多的是FTP,SMTP ,HTTP,Telnet,SNMP。这些协议都是非实时性的，因此这些协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。 为此，为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在Ethemet+TCPIP协议之上，建立完整的、有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务，形成为广大工控生产厂商和用户所接收的应用层、用户层协议，进而形成开放的标准

17、。工业以太网可能遇到的安全问题1）病毒攻击）病毒攻击在互联网上充斥着类似Slammer、“冲击波”等蠕虫病毒和其它网络病毒的袭击。以蠕虫病毒为例，这些蠕虫病毒攻击的直接目标虽然通常是信息层网络的PC机和服务器，但是攻击是通过网络进行的，因此当这些蠕虫病毒大规模爆发时，交换机、路由器会首先受到牵连。用户只有通过重启交换路由设备、重新配置访问控制列表才能消除蠕虫病毒对网络设备造成的影响。蠕虫病毒攻击能够导致整个网络的路由震荡，这样可能使上层的信息层网络部分流量流入工业以太网，加大了它的通信负荷，影响其实时性。在控制层也存在不少计算机终端连接在工业以太网交换机，一旦终端感染病毒，病毒发作即使不能造成

18、网络瘫痪，也可能会消耗带宽和交换机资源。工业以太网可能遇到的安全问题2） MAC攻击攻击工业以太网交换机通常是二层交换机，而MAC地址是二层交换机工作的基础，网络依赖MAC地址保证数据的正常转发。动态的二层地址表在一定时间以后（AGE TIME）会发生更新。如果某端口一直没有收到源地址为某一MAC地址的数据包，那么该MAC地址和该端口的映射关系就会失效。这时，交换机收到目的地址为该MAC地址的数据包就会进行泛洪处理，对交换机的整体性能造成影响，能导致交换机的查表速度下降。而且，假如攻击者生成大量数据包，数据包的源MAC地址都不相同，就会充满交换机的MAC地址表空间，导致真正的数据流到达交换机时被泛洪出去。这种通过复杂攻击和欺骗交换机入侵网络方式，已有不少实例。一旦表中MAC地址与网络段之间的映射信息被破坏，迫使交换机转储自己的MAC地址表，