深入淺出以太網交換機綜合性能

0 引言

20世紀90年代中期至21世紀初，各DCS廠商以信息技術的發展為依托，先后推出了集成高速工業以太網的第三代開放型DCS并已在現代化大工業中得到了大量的應用。由于工業以太網使用了通用以太網協議IEEE802.3，一方面使原來封閉的DCS變為開放的DCS網絡，使網絡中原來使用的專用設備變為可任意插拔的工業用通用設備，大大降低了系統運行中的備品備件成本和維護難度;另一方面，使得DCS作為基礎控制系統而進行控制系統集成(采用OPC，Modbus等協議與PLC，IT02，SIS，MMS等系統通信)，并作為所有生產信息數據匯總和上傳的集成化數據平臺;再者，使DCS與上層的信息管理網(MES和ERP及工程局域網)和Internet的連接變得非常方便。同時，也正是由于工業以太網的廣泛應用，對DCS網絡運行的安全也造成了很大的沖擊：裝置事故狀態下的系統網絡通信安全及可能會受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網絡安全威脅。為確保DCS網絡的安全運行，在系統選型、設計和實施過程中必須制訂一套切實可行的安全對策。

1 工業以太網的應用現狀及發展趨勢

一般來講，控制系統網絡叮分為3層：信息層、控制層和設備層(傳感/執行層)。第三代DCS在信息層大都采用以太網，而在控制層和設備層一般采用不同的現場總線或其他專用網絡。目前，以太網已經滲透到了控制層和設備層，很多的PLC和遠程I/O供應商都能提供支持TCP/IP以太網接口的產品。以太網之所以在自動化領域得到廣泛應用，主要因為：低成本的刺激和速度的提高;現代企業對實時生產信息有越來越多的要求;以太網的開放性和兼容性。

以太網原有的缺點則由于技術的不斷進步而獲得大幅改進和完善。從以太網的發展進程來看，以太網有兩種：共享以太網(Shared Ethernet)和交換以太網(Switched Ethernet)。早期使用的共享以太網是多節點共享同一個傳輸媒體，節點間通信采用廣播方式，易發生沖突，使網絡通信具有不確定性，不能用于強實時性場合。現在常用的交換以太網克服了這一缺點，以太網的交換機(Switch)是數據鏈路層(ISO/0SI參考模型第二層)的多端口網橋，也可以說是智能分配器。交換機將其管理的網絡以星型拓撲結構劃分為許多物理上互相隔離而邏輯上互相聯系的節點，每一節點單獨與交換機建立物理連接，在通信的時候交換機會在發送端口與接受端口間建立一個獨占的全雙工通道，它具有以太網的全部帶寬并避免沖突。

交換以太網在獲得確定性的同時，傳輸速度也有極大的提高。千兆以太網已普及，10 Gbit/s的交換以太網正在開發。當以太網用于信息技術時，應用層含有HTTP(超級文本傳輸協議)、FTP(文件傳輸協議)、SMTP(簡單電子郵件傳送協議)和Telnet(遠程登錄)。這些基于TCP/IP的協議簇已經成為工業界事實上的網絡標準，在不同廠商的不同網絡系統互聯方面起著關鍵作用。但當以太網用于工業控制時，體現在應用層的是實時通信、用于系統組態的對象以及工程模型的應用協議。工業以太網和Internet技術的發展將完全改變傳統工業企業的網絡架構。工業以太網已經從信息層向下延伸到控制層和設備層，采用以太網架構以后，控制器的位置已突破傳統網絡架構的限制，既可以位于現場，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至遠程I/0支持以太網的功能越來越強，在有些控制器和遠程I/0模塊中已經集成了Web服務器，從而允許信息層的用戶也可以和控制層的用戶一樣直接獲取控制器和遠程I/0模塊中的當前狀態值。采用以太網架構和開放的軟件系統的制造企業也被稱為“透明工廠”。此外，通過Internet可以實現對工業生產過程的實時遠程監控，將實時生產數據與ERP系統以及實時的用戶需求結合起來，使生產不只是面向訂單的生產，而是直接面向機會和市場的“電子制造”，從而使企業能夠適應經濟全球化的要求。

2 工業以太網在應用中的安全隱患

圖1為某大型石化項目成功實施的一套完整的工業以太網DCS網絡結構及其與上層信息管理網接口界面圖。眾所周知，一套控制系統的安全隱患除了自身的影響外，就是來自外部界面的威脅。從圖1中可以看出，影響工業以太網DCS網絡安全的隱患主要有：以太網運行速度及負荷、網絡連接和服務器終端等設備的可靠性;工業以太網與上層信息管理網接口、工業以太網與第三方()PC接口子系統之間的界面;操作站、工程師站和服務器之間的界面。

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圖1 工業以太網DCS網絡結構及其與上層信息管理網接口界面