《工业控制系统信息安全》课件-第二节 工业数据通信的实例与仿真 -p1

教材第一章：工业控制系统通信及专有协议1.1数据通信数据传输串行通信通信网络1.2工业以太网以太网技术典型的工业以太网1.3现场总线现场总线结构与特点几种有影响力的现场总线现场总线的应用领域1.4工业通信中主要的通信协议与总线实例ModbusProfibusCAN总线DNP3规范OPC规范第二节：工业数据通信实例与仿真介绍以太网与工业以太网的相关协议介绍工控系统主要总线类型介绍工控系统通信协议仿真网络（例1：Point-to-Point

例2：Busnetwork（略））以太网IEEE802.3标准制定以太网(Ethernet)技术标准。以太网几乎使用硬件实现的。物理层定义了传输介质、连接器、电信号类型和网络拓扑，用于完成数据的编译码和信道访问。数据链路层规定了介质访问协议和数据传输的帧格式，主要实现数据拆装和链路的管理，保证数据帧在链路上无差错地可靠传输。以太网采用星型或总线型结构，传输速率为10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s或更高，以太网物理层传输电缆常用的是10BASE-T双绞线电缆，此外还有10BASE-2（细缆）、10BASE-5（粗缆），在高速传输和有干扰的场合，采用100BASE-F（光纤）。以太网线缆的类型以及系统板的I/O决定以太网I/O传输是串行的还是并行的。收发器：介质连接单元（MAU）介质相关接口（MDI）是网络端口。物理介质连接（PMA）组件，“包含发送、接收功能”连接单元接口（AUI），传递编码信号以太网接口：存在于主处理器或从处理器，包含其他以太网硬件和软件组件。物理层信号（PLS）子层（型号特性、连接器、线缆长度），监视传输介质媒体访问控制（MAC），检查载波侦听信号，发起数据传输。解决信道争用的问题。逻辑链路控制（LLC），把传输的数据组成帧，解决差错控制和流量控制。设备MDIPMAMAUAUI以太网接口PLSMAC/MAC控制主（从）处理器以太网以太网的数据链路层分为媒体访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层。MAC子层的任务是解决网络上的所有节点共享一个信道所带来的信道争用问题（例如，CSMA/CD,令牌环）；LLC子层的任务是把要传输的数据组成帧，并且解决差错控制和流量控制的问题，从而在不可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。以太网帧开始有7个字节的同步码（Preamble）7*0xAA，和1个字节的同步码0xAB。是由物理层添加的。DSAP:0xAA,DSAP:0xAA,控制：0x03目的MAC地址源MAC地址总长度DSAPSSAP控制数据FCS6字节6字节2字节1字节1字节1字节43-1497字节4字节工业以太网工业以太网的出现控制网络的需要与发展多智能仪器仪表及其他自动化设备的大量使用数字信号大规模代替模拟信号现场总线的种类繁多，互不兼容工业生产及环境对工业数据通信的要求材质的选用、产品的强度、适用性、实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性工业控制网络不仅需要数据通信支持，而且需要网络节点协调完成自控功能任务和系统计算目前，工业以太网主要在控制级和监控级。工业以太网的功能要求通信的实时性和确定性实时性（real-time）：响应同步性，5~10ms，提出实时以太网，光纤的应用。确定性：负载在规定时间内获得数据的机会。提高通信速率网段划分，增加数据存储、转发和过滤双绞线的全双工通信方式传统IT系统？工业以太网的功能要求网络的可用性和弹性可靠性，网络作为工控的基础设施，冗余网络可恢复性：自动恢复、故障隔离，链路冗余可维护性：故障定位和自动报警网络安全性：将三层网络（信息、控制、设备）合为一体。网络隔离环境适应性：工业环境，例如高温、高湿、噪音、辐射等工业现场环境的影响。传统IT系统？典型工业以太网IT领域，典型的应用层协议包括HTTP、FTP、SNMP等工业控制系统没有形成统一的应用层协议，影响力较大的有，Ethernet/IP实时以太网、ProfiNet、ModBus等。典型工业以太网-Ethernet/IP实时以太网采用以太网通信芯片以及物理介质在TCP/IP之上附加CIP（CommonIndustrialProtocol)实时扩展功能，在应用层进行实时数据交换和运行实时应用。Ethernet/IP工业以太网优点：系统兼容性和互操作性好，资源共享能力强，可以很容易的实现控制现场的数据与信息系统上的资源共享数据的传输距离长、传输速率高易与Internet连接，低成本、易组网，与计算机、服务器的接口十分方便，受到了广泛的技术支持。基于商业以太网开发的各种以太网报文侦听和流量优化控制软件，甚至可以不加修改地应用到工业以太网控制系统中。目前EtherNet/IP工业以太网的应用主要是在自动化领域的信息层和控制层。典型工业以太网-Ethernet/IP实时以太网应用层和用户层的合适是控制及信息协议（CIP）。作为一种工业应用开发的应用层协议，CIP用以支持程序、输入输出、设备、网络、路由，被DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP等使用。CIP协议最重要的特点是可以传输多种类型的数据。工业应用中需要传输的数据类型有I/O、互锁、配置、故障诊断、程序上传和下载。这些不同类型的数据对传输服务质量的要求是不同的，例如，数据传输的确定性、单位时间内有通信行为的节点所占的比例或传输实时性。CIP根据所传输的数据对传输服务质量要求的不同，把报文分为两种：显式报文和隐式报文。显式报文用于传输对时间没有苛求的数据，例如，程序的上传和下载、系统维护、故障诊断、设备配置等。隐式报文用于传输对时间有苛求的数据，例如，I/O、实时互锁等。在网络底层协议的支持下，CIP用不同的方式传输不同类型的报文，以满足对传输服务质量的不同要求。CIP是面向连接的，在通信开始之前建立起连接，获取位移的连接标识符（ConnectionID）。如果连接涉及到双向的数据传输，就需要两个CID。CID的定义格式是与具体网络有关的。另外，CIP使用生产者和消费者的形式，允许网络上所有节点同时从一个数据源存取同一数据，因此是数据传输达到按需的最优化，避免了带宽浪费，提高了系统通信效率，保证数据传输的实时性。典型工业以太网-ProfiNetProfiNet实时工业以太网是由ProfibusInternational（PI)组织提出的基于以太网的自动化标准。它基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准，是一种实时以太网技术，同时无缝地集成现有的现场总线系统。作为完整、先进的工业通信解决方案，ProfiNet包括8个主要功能模块，分别为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式智能、网络安装、IT标准和网络安全、故障安全和过程自动化。典型工业以太网-ProfiNetProfiNet的物理层采用了快速以太网的物理层，数据链路层采用的也是IEEE802.3标准，但采取了改进措施；网络层和传输层采用了IP/TCP/UDP，OS1中的第5层、第6层未用。典型工业以太网-ProfiNet由于TCP/IP或UDP/IP都不能满足过程数据循环更新时间小于10ms的要求，对以太网中影响实时性和确定性的因素也必须改进才能满足工业自动化领域的要求。从图中可以看出，在ProfiNet设备的一个通信循环周期内，ProfiNet提供一个标准通信通道和两类实时通信通道。标准通道是使用TCP/IP协议的非实时通信通道，主要用于设备参数化、组态和读取诊断数据。实时通道RT是软实时SRT（SoftwareRT)方案，主要用于过程数据的高性能循环传输、事件控制的信号与报警信号等。为优化通信功能，ProfiNet根据IEEE802.1p定义了报文的优先级，最多可用7级。实时通道IRT采用了IRT（IsochronousReal-Time)等时同步实时的ASIC芯片解决方案，以进一步缩短通信栈软件的处理时间，特别适用于高性能传输、