《工业控制系统信息安全技术与实践》课件 4 工业总线与以太网基础

第4章工业总线与以太网基础01现场总线现场总线产生与发展20世纪50年代之前，第一代气动信号控制系统（PCS）20世纪50年代，第二代电动模拟信号控制系统20世纪70年代，第三代数字计算机集中式控制系统20世纪70年代中期以来，第四代集散式分布控制系统（DCS）第五代现场总线控制系统（FCS），作为新一代控制系统主流总线介绍.PROFIBUS总线德国国家标准，是由Siemens公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出。由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA组成参考国际标准组织的开放系统互连(OSI)模型，物理层、数据链路层两部分形成了PROFIBUS-PA标准第一部分的子集，采用了应用层，作为标准的第二部分PROFIBUS-PA传输技术遵从IEC1158-2(H1)标准，可实现总线供电与本质安全防爆，是用于过程自动化的总线类型PROFIBUS-DP用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用PROFBUS-FMS为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化。PROFIBUS与以太网相结合，产生了PROFINET技术，取代了PROFIBUS-FMS的位置。主流总线介绍CAN总线控制器局域网简称CAN总线最早由德国BOSCH公司提出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。CAN协议也是建立在国际标准组织的OSI模型基础上，其模型结构只有物理层、数据链路层和应用层。CAN的信号传输介质为双绞线，传输速率最高可达1Mbit/s/40m；直接传输距离最远可达10km/5kbit/s，挂接设备最多可达110个。主流总线介绍DeviceNet1994年美国美国罗克韦尔自动化公司推出了DeviceNet网络，实现了低成本、高性能的工业设备的网络互连DeviceNet是一个开放式网络标准，规范和协议都是开放的，厂商将设备连接到系统时，无需购买硬件、软件或许可权。DeviceNet价格低、效率高，特别适用于制造业、工业控制、电力系统等行业的自动化，适合于制造系统的信息化主流总线介绍ControlNet1997年美国罗克韦尔自动化（RockwellAutomation)公推出的ControlNet是一种新的面向控制层的实时性现场总线网络。它提供如下功能：（1）在同一链路上同时支持I/O信息，控制器实时互锁以及对等通信报文传送和编程操作。（2）对于离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性。ControlNet协议的制定也参考了OSI模型，并参照了其中的第1、2、3、4、7层。与一般现场总线相比，ControlNet增加了网络层和传输层，它既考虑了网络的效率和实现的复杂程度，又兼顾到协议技术的向前兼容性和功能完整性。这对与异种网络的互连和网络的桥接功能提供了支持，更有利于大范围的组网。ontrolNet广泛应用于交通运输、汽车制造、冶金、矿山、电力、食品、造纸、石油、化工、娱乐及很多其他领域的工厂自动化和过程自动化。主流总线介绍CC-Link1996年11月，三菱电机为主导的多家公司以“多厂家设备环境、高性能、省配线”的理念开发和公布了控制与通信链路系统（Control&CommunicationLink）现场总线，简称CC-Link。是唯一起源于亚洲地区的开放式总线系统，可以将控制和信息数据同时以10Mbit/s高速传输的现场网络，具有性能卓越、应用广泛、使用简单、节省成本等突出优点一般工业控制领域的网络分为3或4个层次，分别是管理层、控制层和部件层。部件层也可以再细分为设备层和传感器层。CC-Link是一个以设备层为主的网络，同时也可以覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感器层。CC-Link是一个技术先进、性能卓越、应用广泛、使用简单、成本较低的开放式现场总线，其技术发展和应用有着广阔的前景。02工业以太网工业以太网基本概念工业以太网是按照工业控制的要求，发展适当的应用层和用户层协议，使以太网和TCP/IP技术真正能应用到控制层，延伸至现场层，而在信息层又尽可能采用IT行业一切有效而又最新的成果。因此，工业以太网与以太网在工业中的应用全然不是同一个概念当前工业自动化系统按照应用领域分为离散制造控制和连续过程控制，工业网络分层为设备层、I/O层、控制层和监控层。各种工业以太网与工业总线的关系如图4-1所示。工业以太网基本概念工业以太网基本概念每种工业以太网都有设备层现场总线与之互补，如表4-1所示。工业以太网互补的设备层现场总线EtherNet/IPDeviceNet,ControlNetPROFINETPROFIBUSDP,PROFIBUSPAFoundationFieldbusHSEFoundationFieldbusHIIDAIDA,ModbusTCP/IP工业以太网主要标准IDA分布式自动化接口IDA（theInterfaceforDistributedAutomation）是一种完全建立在以太网基础上的工业以太网规范，它将基于Web的实时分布式自动化环境与集中的安全体系结构相结合，目标是创立一个基于TCP/IP的分散自动化的解决方案，涵盖了自动化结构中的所有层次，包括设备层。工业以太网协议IDA希望开发一个供机器人、运动控制和包装用的功能块库。这些应用要求微秒级的同步。IDA采用RTI(RealTimeInnovations)公司的中间件NDDS（网络数据传送服务）来实现微秒级的实时性。IDA的协议栈如图4-2所示工业以太网主要标准IDA分布式自动化接口IDA（theInterfaceforDistributedAutomation）是一种完全建立在以太网基础上的工业以太网规范，它将基于Web的实时分布式自动化环境与集中的安全体系结构相结合，目标是创立一个基于TCP/IP的分散自动化的解决方案，涵盖了自动化结构中的所有层次，包括设备层。工业以太网协议IDA希望开发一个供机器人、运动控制和包装用的功能块库。这些应用要求微秒级的同步。IDA采用RTI(RealTimeInnovations)公司的中间件NDDS（网络数据传送服务）来实现微秒级的实时性。IDA的协议栈如图4-2所示工业以太网主要标准Ethernet/IPEthernet/IP技术采用标准的以太网芯片，并采用有源星形拓扑结构，将一组工业设备点对点地连接到交换机，应用层则采用工业界广泛应用的开放协议——控制和信息协议（CIP)。Ethernet/IP通信协议模型如图4-3所示工业以太网主要标准PROFINETPROFINET是由PROFIBUS国际组织提出的基于实时以太网技术的自动化总线标准，它将企业信息管理层IT技术和工厂自动化相结合，同时又完全保留了PROFINET现有的开放性。PROFINET支持星形、总线型和环等拓扑结构。PROFINET提供了大量的工具帮助用户方便地安装工业电缆和耐用连接器以满足电磁兼容（EMC）和温度的要求。PROFINET框架内标准化，保证了不同制造商设备之间的兼容性。PROFINET的通信协议模型如图4-4所示。工业以太网主要标准HSE1998年现场总线基金会开始起草HSE，2003年3月完成了HSE的第一版标准。HSE主要利用现有商用的以太网技术和TCP/IP协议族，通过错时调度以太网数据，达到工现场监控任务的要求。HSE的协议体系结构如图4-6所示。03以太网基础以太网基础OSI开放系统互连模型为了构建一个标准化的数据通信和网络世界，1979年国际标准化组织ISO开发了一个开放系统互连参考模型（OSI）。OSI模型的目标是可以使两个系统（如两台计算机）之间进行相互通信。OSI模型由七个功能层组成，也称为7层模型，如图4-7所示。系统A可以与系统B通信。这些系统可以在不同的网络，如公共网络和私有网络。局域网局域网（LAN）是指计算机、工作站和外围设备之间在非常有限的地理位置区域内进行的通信。局域网中连接的站点是对等的，不存在主站和副站。每个站点都可以建立、维护和断开与另一个站点的连接。对于公共网络，LAN采用稍微不同的方法实现OSI模型的底层要求。IEEE802已经为局域网建立了一些标准，LAN模型与OSI模型关系如图4-8所示。以太网以太网只是OSI模型中第1层和第2层的一种特殊形式。它不是一个完整的网络协议，而是一个子网，其他协议（如TCP/IP套件）可以在该子网上工作。以太网最重要的功能是：填写物理层：通过介质发送和接收串行位流；检测碰撞。填写数据链路层：MAC介质访问控制子层：提供网络访问机制CSMA/CD；建立数据帧。LLC逻辑链路控制子层：确保数据可靠性；为更高级别的应用程序提供数据通道。物理层基于同轴电缆的以太网最初的以太网是围绕总线拓扑的概念设计的。以太网的第一个实现是粗缆以太网，基于一根黄色粗同轴电缆，也称为10Base5。10Base5以太网的特点：传输速率最高10Mbps基带传输最大5x100=500米每段最多连接100个收发器物理层基于双绞线的以太网基于双绞线的以太网，站点与中央集线器之间最大长度为100米。每个站点都必须直接与集线器或交换机连接。双绞线已经从10Base-T（10Mbps）发展到100Base-T（100Mbps）和1000Base-T（1000Mbps）。快速以太网快速以太网采用非屏蔽双绞线电缆，支持高达100Mbps的速度。电缆由8根电线组成，4对线组成。在10/100Base-T中仅使用4对中的2对：白橙色/橙色、白绿色/绿色。表4-2显示了10/100Base-T的管脚配置。TD代表传输数据，RD代表接收数据。帧颜色功能1绿色和白色+TD2绿色-TD3橙色和白色+RD4蓝色未使用5蓝色和白色未使用6橙色-RD7棕色和白色未使用8棕色未使用物理层直通线也称为直连电缆，是指双绞线两端线序相同。此双绞线可用于连接站点与网络交换设备，如：PC和集线器/交换机或PC和墙壁之间的连接。交叉线是双绞线一端和直通电缆相同，另一端白橙色/橙色为插脚1和2，白绿色/绿色为插脚3和6。此双绞线可用于PC到PC连接，集线器/交换机和另一个集线器/交换机之间的连接。快速以太网的特点是： 以100Mbps的速度传输数据 全双工通信 支持无线以太网千兆以太网千兆位以太网的目标数据速率为1000Mbps。千兆以太网仍然使用125MHz的100Base-T/Cat5时钟速率，为每个时钟信号（00、01、10和11）编码两位，用四个电压等级，达到1000Mbps的数据速率。此外，1000BASE-T也使用以太网电缆的四个数据对实现双向发送或接收数据。这种调制技术被称为4D-PAM5，目前使用五种不同的电压水平。第五个电压电平用于误差机制。物理层基于光纤的以太网为了使传输距离变得更长，光纤电缆是一个很好的选择。第一种光纤的名称为10BASE-F和100BASE-F。在发送和接收数据时，始终使用单独的玻璃纤维。采用光纤的千兆以太网为全双工模式，数据速率为1000Mbps。千兆以太网有两种不同的类型。1000BASE-SX和1000BASE-LX。1000Base-SX在多模光纤上使用短波长光脉冲。1000Base-LX在多模或单模光纤上使用波长较长的光脉冲。物理层无线局域网基于热点连接是利用无线接入点将无线局域网与有线局域网连接起来的配置。无线接入点作为所有无线数据传输路由的中心点。整个无线网络具有唯一的SSID（服务集标识），并且还具有网络名称。基于点对点的连接是指每个计算机设备都直接与另一个计算机设备通信。因此，实际上这种网络结构是不可能实现的。数据链路层以太网数据帧一个以太网数据帧至少由46个实际数据字节和26个协议字节（开销）组成。这个最小的数据字节数是定义时隙时间所必需的。以太网数据帧格式如图4-9所示，数据帧各字段含义如下:数据链路层MAC地址每个站点都有一个以太网地址即每一个网卡独有的物理地址——MAC地址（媒体访问控制地址）。每一个网卡制造商都会给每一张网卡一个全球唯一的地址，该地址存储在网卡只读存储器中。MAC地址结构如图4-11所示数据链路层CSMA/CD以太网在数据链路层MAC子层使用IEEE802.3载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD协议。该协议包括3部分内容：载波监听、多路访问、冲突检测数据链路层CSMA/CA有线以太网的CSMA/CD技术不能应用于无线以太网。无线以太网采用的半双工无线电，在发送数据时，无法检查是否发生碰撞。为了解决这一问题，我们采用了另一种技术，即CSMA/CA，它不检测碰撞，而是避免碰撞，CA代表碰撞避免。相关设备集线器（Hub）集线器实际上是一个多接口的中继器。集线器在OSI模型的物理层上工作：它将传入信号重新生成到所有其他端口，如图4-16所示，所有通过集线器相互连接的网络都是冲突域。相关设备交换机（Switch）网桥可以像中继器一样传输数据，不同的是数据包通过网桥从一个链路传输到另一个链路之前，网桥检查MAC地址，在此基础上判断是否传输到另一个链路，如图4-21所示，由此可见网桥是工作在数据链路层的设备。一个网桥配备两个以上的网络端口，我们叫它“交换机”。虚拟局域网VLANVLAN类型VLAN可以分为两种类型：静态VLAN和动态VLAN。静态VLAN基于端口，根据用户连接到的交换机端口，判断属于哪一个VLAN。优点是易于配置；所有操作在交换机上完成，用户几乎不需要操作。缺点是如果用户将电脑连接到错误的端口，则管理员必须重新配置；如果第二个交换机连接到属于某个VLAN的端口，则连接到该交换机的所有计算机都将自动属于该VLAN。动态VLAN不是基于交换机的端口，而是基于用户的地址或使用的协议。优点是每个人都可以将计算机连接到任何端口，并且仍然是正确VLAN的一部分。缺点是这种VLAN类型的成本较高，因为它需要特殊的硬件。虚拟局域网VLANIEEE802.1Q标记帧IEEE802.1Q在以太网帧中增加了4个字节的802.1Q标签，如图4-18所示，包含了2个字节的标签协议标识和2个字节的标签控制信息。标签字节字段含义如下：虚拟局域网VLAN端口聚合TrunkTRUNK称为端口聚合是在交换机和网络设备之间比较经济的增加带宽的方法。TRUNK的主要功能就是将多个物理端口（一般为2~8个）绑定为一个逻辑的通道，使其工作起来就像一个通道一样。将多个物理链路捆绑在一起后，不但提升了整个网络的带宽，而且数据还可以同时通过被绑定的多个物理链路传输，而且具有链路冗余的作用，在网络出现故障或其他原因断开其中一条或多条链路时，剩下的链路还可以工作。网络冗余网络冗余是指集成硬件和软件，以确保在网络某一点故障时，保持最佳的可用性。通信系统网络是每一个现代自动化项目的核心。为了处理不同网络中的故障，可以在网络设备中集成不同的协议。生成树协议生成树协议（STP）是IEEE802.1d中描述的开放协议。它是一个OSI第2层协议，保证了无闭环局域网。它基于RadiaPerlman开发的算法。生成树协议使网络允许冗余链路，如果链路出于任何原因损坏，则会自动恢复并提供非闭环的备份路径。网络冗余介质冗余协议MRP是Profinet标准的一部分。在MRP的情况下，环状网络通过阻塞环中的一个端口以获得一个线状结构。在发生网络错误的情况下，网络分成两条独立的线路，当被阻塞的端口被释放时，这些线路再次连接在一起。恢复时间在100毫秒范围内。并行冗余协议与上述技术相比，如果出现网络错误，PRP不会计划更改活动拓扑。该协议在两个并行的网络上运行。每个数据帧都通过两个网络发送。接收节点处理首先到达的消息并拒绝后到达的复制消息。PRP使双网络，对高层协议是不可见的。HSR冗余则是通过环网结构实现的平行冗余的技术。04TCP/IP协议以太网基础TCP/IP协议传输控制协议/网络控制协议（TCP/IP）是一组工业标准协议，设计用于在由不同网段组成的大型网络上进行通信，这些网段由路由器连接。TCP/IP协议族可以完美地定位在OSI模型中。一个四层简化模型主要用于表示TCP/IP协议族称为TCP/IP模型，如图4-23所示。这个模型的核心是网络层和传输层，应用层描述所有使用TCP/IP协议的应用协议。例如，HTTP协议属于此协议。网络控制协议网络控制协议（TheInternetProtocol，简称IP协议），用于OSI模型的第3层网络层，这一层负责在不同的网络上表述和传输信息。网络控制协议（IP）要实现在不同网络上传输信息就需要统一的地址：IP地址。IP地址每个网络将获得一个唯一的网络地址。每个网络中的设备也应该获得唯一的地址号。统一寻址是基于这一原则。此地址在IP层上定义，称为IP地址。IP地址由32位4字节组成，用4个小数点分隔。每个网络都有一个名称（网络ID），每个网络设备都有一个唯一的网络号码（主机ID）。网络ID和主机ID一起构成IP地址，网络ID是主机ID等于零的IP地址。如图4-22所示，IP地址为20的主机，所在网络ID为，主机ID为220网络控制协议IP地址的类别网络控制协议私有网络的IP地址公共网络和私有网络之间有区别。在互联网上（整个公共网络），每个IP地址都必须是唯一的。公司网络通过路由器与因特网相连。为了避免私有网络和公共网络之间的冲突，在每个类中定义了一系列未在Internet上使用的IP地址，如表4-4。所示企业网络最好使用这些保留地址。网络控制协议特殊的IP地址在网络上必须有发送广播消息地址。将主机ID的所有位全部设置为1，就是某个段的IP广播地址。例如，IP地址55是网络广播地址，网络地址是。网络控制协议子网掩码网络地址通过几个位进行扩展，以便在一个类中创建多个子网。使用子网时，IP地址不变，但是对于路由器来说，就要知道网络地址是有多少为组成。路由器为此使用子网掩码,通过子网掩码从IP地址中得到网络地址。如何设置子网掩码呢？表示网络部分的位的值为1，表示主机部分的位的值为0，然后进行十进制转换。比如，一个C类地址扩展四个网络位，子网掩码为：网络控制协议子网化网络控制协议IP包格式