工業(yè)以太網(wǎng)學習心得-

1、工業(yè)以太網(wǎng)學習心得工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3 (Ethernet)的強大的區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)。利用工業(yè)以太網(wǎng)，SIMATIC NET 提供了一個無縫集成到新的多媒體世界的途徑。-企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)(Intranet)，外部互聯(lián)網(wǎng)(Extranet)，以及國際互聯(lián)網(wǎng)(Internet) 提供的廣泛應(yīng)用不但已經(jīng)進入今天的辦公室領(lǐng)域，而且還可以應(yīng)用于生產(chǎn)和過程自動化。繼10M波特率以太網(wǎng)成功運行之后，具有交換功能，全雙工和自適應(yīng)的100M波特率快速以太網(wǎng)(Fast Ethernet，符合IEEE 802.3u 的標準)也已成功運行多年。采用何種性能的以太網(wǎng)取決于用戶的需要。通用的兼容性允許用戶無縫

2、升級到新技術(shù)。為用戶帶來的利益-市場占有率高達80%，以太網(wǎng)毫無疑問是當今LAN(局域網(wǎng))領(lǐng)域中首屈一指的網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)優(yōu)越的性能，為您的應(yīng)用帶來巨大的利益：通過簡單的連接方式快速裝配。通過不斷的開發(fā)提供了持續(xù)的兼容性，因而保證了投資的安全。通過交換技術(shù)提供實際上沒有限制的通訊性能。各種各樣聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，例如辦公室環(huán)境和生產(chǎn)應(yīng)用環(huán)境的聯(lián)網(wǎng)。通過接入WAN(廣域網(wǎng))可實現(xiàn)公司之間的通訊，例如，ISDN 或Internet 的接入。-SIMATIC NET基于經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用驗證的技術(shù),SIMATIC NET已供應(yīng)多于400,000個節(jié)點，遍布世界各地，用于嚴酷的工業(yè)環(huán)境，包括有高強度電磁干擾的區(qū)域。工業(yè)以

3、太網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成-一個典型的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，有以下三類網(wǎng)絡(luò)器件：網(wǎng)絡(luò)部件連接部件：FC 快速連接插座ELS(工業(yè)以太網(wǎng)電氣交換機)ESM(工業(yè)以太網(wǎng)電氣交換機)SM(工業(yè)以太網(wǎng)光纖交換機)MC TP11(工業(yè)以太網(wǎng)光纖電氣轉(zhuǎn)換模塊)通信介質(zhì)：普通雙絞線，工業(yè)屏蔽雙絞線和光纖SIMATIC PLC控制器上的工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理器。用于將SIMATIC PLC連接到工業(yè)以太網(wǎng)。PG/PC 上的工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理器。用于將PG/PC連接到工業(yè)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)重要性能-為了應(yīng)用于嚴酷的工業(yè)環(huán)境，確保工業(yè)應(yīng)用的安全可靠，SIMATIC NET 為以太網(wǎng)技術(shù)補充了不少重要的性能：工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)上與IEEE8

4、02.3/802.3u兼容，使用ISO和TCP/IP 通訊協(xié)議10/100M 自適應(yīng)傳輸速率冗余24VDC 供電簡單的機柜導(dǎo)軌安裝方便的構(gòu)成星型、線型和環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)高速冗余的安全網(wǎng)絡(luò)，最大網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時間為0.3 秒用于嚴酷環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)元件，通過EMC 測試通過帶有RJ45 技術(shù)、工業(yè)級的Sub-D 連接技術(shù)和安裝專用屏蔽電纜的Fast Connect連接技術(shù)，確?，F(xiàn)場電纜安裝工作的快速進行簡單高效的信號裝置不斷地監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)元件符合SNMP(簡單的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備基本知識今天的控制系統(tǒng)和工廠自動化系統(tǒng)，以太網(wǎng)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)和PLC一樣普及。但現(xiàn)場工程師們對以太網(wǎng)的了解，大多來自他們對傳

5、統(tǒng)商業(yè)以太網(wǎng)的認識。很多控制系統(tǒng)工程的實施甚至是直接讓IT部門的技術(shù)人員來實施。但是，IT工程師們對于以太網(wǎng)的了解，往往局限于辦公自動化商業(yè)以太網(wǎng)的實施經(jīng)驗，可能導(dǎo)致工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中實施的簡單化和商業(yè)化，不能真正理解工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)現(xiàn)場的意義，也無法真正利用工業(yè)以太網(wǎng)內(nèi)在的特殊功能，常常造成工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場實施的不徹底，給整個控制系統(tǒng)留下不穩(wěn)定因素。那么選擇正確的工業(yè)以太網(wǎng)要考慮哪些因素？簡單的來說，要從以太網(wǎng)通訊協(xié)議、電源、通信速率、工業(yè)環(huán)境認證考慮、安裝方式、外殼對散熱的影響、簡單通信功能和通信管理功能、電口或光口的考慮。這些都是最基本需要了解的產(chǎn)品選擇因素。如果對工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)

6、管理有更高要求，則需要考慮所選擇產(chǎn)品的高級功能如：信號強弱、端口設(shè)置、出錯報警、串口使用、主干(TrunkingTM)冗余、環(huán)網(wǎng)冗余、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、虛擬局域網(wǎng)(VLAN)、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)、端口鏡像等等其他工業(yè)以太網(wǎng)管理交換機中可以提供的功能。不同的控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的管理功能要求不同，自然對管理型交換機的使用也有不同要求。控制工程師們應(yīng)該根據(jù)其系統(tǒng)的設(shè)計要求，挑選適合自己系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品。由于工業(yè)環(huán)境對工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)可靠性能的超高要求，工業(yè)以太網(wǎng)的冗余功能應(yīng)運而生。從快速生成樹冗余(RSTP)、環(huán)網(wǎng)冗余(RapidRingTM)到主干冗余(TrunkingTM)，都有各自不同

7、的優(yōu)勢和特點，控制工程師們可以根據(jù)自己的要求進行選擇。為了更好地幫助大家了解和學習工業(yè)以太網(wǎng)冗余技術(shù)的特點，讓我們首先回顧以下以太網(wǎng)設(shè)備的發(fā)展過程。集線器 (Hub)相信絕大多數(shù)人都熟悉集線器。很多人使用這種簡易設(shè)備去連接各種基于以太網(wǎng)的設(shè)備，如個人計算機，可編程控制器等。集線器接收到來自某一端口的消息，再將消息廣播到其它所有的端口。對來自任一端口的每一條消息，集線器都會把它傳遞到其它的各個端口。在消息傳遞方面，集線器是低速低效的，可能會出現(xiàn)消息沖突。然而，集線器的使用非常簡單實際上可以即插即用。集線器沒有任何華而不實的功能，也沒有冗余功能。非管理型交換機 (Unmanaged Switch)

8、集線器的發(fā)展產(chǎn)生了一種叫非管理型交換機的設(shè)備。它能實現(xiàn)消息從一個端口到另一個端口的路由功能，相對集線器更加智能化。非管理型交換機能自動探測每臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)速度。另外，它具有一種稱為“MAC地址表”的功能，能識別和記憶網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。換言之，如果端口2收到一條帶有特定識別碼的消息，此后交換機就會將所有具有那種特定識別碼的消息發(fā)送到端口2。這種智能避免了消息沖突，提高了傳輸性能，相對集線器是一次巨大的改進。然而，非管理型交換機不能實現(xiàn)任何形式的通信檢測和冗余配置功能。管理型交換機 (Managed Switch)以太網(wǎng)連接設(shè)備發(fā)展的下一代產(chǎn)品是管理型交換機。相對集線器和非管理型交換機，管理型交換機

9、擁有更多更復(fù)雜的功能，價格也高出許多通常是一臺非管理型交換機的34倍。管理型交換機提供了更多的功能，通?？梢酝ㄟ^基于網(wǎng)絡(luò)的接口實現(xiàn)完全配置。它可以自動與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交互，用戶也可以手動配置每個端口的網(wǎng)速和流量控制。一些老設(shè)備可能無法使用自動交互功能，因此手動配置功能是必不可缺的。絕大多數(shù)管理型交換機通常也提供一些高級功能，如用于遠程監(jiān)視和配置的SNMP(簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)，用于診斷的端口映射，用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成組的VLAN(虛擬局域網(wǎng))，用于確保優(yōu)先級消息通過的優(yōu)先級排列功能等。利用管理型交換機，可以組建冗余網(wǎng)絡(luò)。使用環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，管理型交換機可以組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。每臺管理型交換機能自動判斷最優(yōu)傳輸路徑和

10、備用路徑，當優(yōu)先路徑中斷時自動阻斷(block)備用路徑。應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)用安全的研究工業(yè)以太網(wǎng)是當前工業(yè)控制領(lǐng)域的研究熱點。工業(yè)以太網(wǎng)重點在于利用交換式以太網(wǎng)技術(shù)為控制器和操作站，各種工作站之間的相互協(xié)調(diào)合作提供一種交互機制并和上層信息網(wǎng)絡(luò)無縫集成。目前工業(yè)以太網(wǎng)開始在監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)上逐漸占據(jù)主流位置，正在向現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)滲透。工業(yè)以太網(wǎng)相對于以往自動化技術(shù)有很多優(yōu)勢，然而事物是相對的，在我們享受開放互聯(lián)技術(shù)進步的成果同時應(yīng)該對它們存在的隱患和可能帶來的嚴重后果要有深刻認識。1工業(yè)以太網(wǎng)的特點及安全要求雖然脫胎于Intranet、Internet等類型的信息網(wǎng)絡(luò)，但是工業(yè)以太網(wǎng)是面向生產(chǎn)過程,對實時

11、性、可靠性、安全性和數(shù)據(jù)完整性有很高的要求。既有與信息網(wǎng)絡(luò)相同的特點和安全要求，也有自己不同于信息網(wǎng)絡(luò)的顯著特點和安全要求：（1）工業(yè)以太網(wǎng)是一個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實時性要求高，網(wǎng)絡(luò)傳輸要有確定性。（2）整個企業(yè)網(wǎng)絡(luò)按功能可分為處于管理層的通用以太網(wǎng)和處于監(jiān)控層的工業(yè)以太網(wǎng)以及現(xiàn)場設(shè)備層（如現(xiàn)場總線）。管理層通用以太網(wǎng)可以與控制層的工業(yè)以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)，上下網(wǎng)段采用相同協(xié)議自由通信。（3）工業(yè)以太網(wǎng)中周期與非周期信息同時存在，各自有不同的要求。周期信息的傳輸通常具有順序性要求，而非周期信息有優(yōu)先級要求，如報警信息是需要立即響應(yīng)的。（4）工業(yè)以太網(wǎng)要為緊要任務(wù)提供最低限度的性能保證服務(wù)，同時也要為非緊

12、要任務(wù)提供盡力服務(wù)，所以工業(yè)以太網(wǎng)同時具有實時協(xié)議也具有非實時協(xié)議?；谝陨咸攸c，有如下安全應(yīng)用要求：（1）工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)該保證實時性不會被破壞，在商業(yè)應(yīng)用中，對實時性的要求基本不涉及安全，而過程控制對實時性的要求是硬性的，常常涉及生產(chǎn)設(shè)備和人員安全。（2）當今世界舞臺，各種競爭異常激烈。對于很多企業(yè)尤其是掌握領(lǐng)先技術(shù)的企業(yè)，作為其技術(shù)實際體現(xiàn)的生產(chǎn)工藝往往是企業(yè)的根本利益。一些關(guān)鍵生產(chǎn)過程的流程工藝乃至運行參數(shù)都有可能成為對手竊取的目標。所以在工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸中要防止數(shù)據(jù)被竊取。（3）開放互聯(lián)是工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢，遠程的監(jiān)視、控制、調(diào)試、診斷等極大的增強了控制的分布性、靈活性，打破了時空的限

13、制，但是對于這些應(yīng)用必須保證經(jīng)過授權(quán)的合法性和可審查性。2工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用安全問題分析（1）在傳統(tǒng)工業(yè)工業(yè)以太網(wǎng)中上下網(wǎng)段使用不同的協(xié)議無法互操作，所以使用一層防火墻防止來自外部的非法訪問，但工業(yè)以太網(wǎng)將控制層和管理層連接起來，上下網(wǎng)段使用相同的協(xié)議，具有互操作性，所以使用兩級防火墻，第二級的防火墻用于屏蔽內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的非法訪問和分配不同權(quán)限合法用戶的不同授權(quán)。另外還可用根據(jù)日志記錄調(diào)整過濾和登錄策略。要采取嚴格的權(quán)限管理措施，可以根據(jù)部門分配權(quán)限，也可以根據(jù)操作分配權(quán)限。由于工廠應(yīng)用專業(yè)性很強，進行權(quán)限管理能有效避免非授權(quán)操作。同時要對關(guān)鍵性工作站的操作系統(tǒng)的訪問加以限制，采用內(nèi)置的設(shè)備管理系統(tǒng)

14、必須擁有記錄審查功能，數(shù)據(jù)庫自動記錄設(shè)備參數(shù)修改事件：誰修改，修改的理由，修改之前和之后的參數(shù)，從而可以有據(jù)可查。（2）在工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用中可以采用加密的方式來防止關(guān)鍵信息竊取。目前主要存在兩種密碼體制：對稱密碼體制和非對稱密碼體制。對稱密碼體制中加密解密雙方使用相同的密鑰且密鑰保密，由于在通信之前必須完成密鑰的分發(fā)，該體制中這一環(huán)節(jié)是不安全的。所以采用非對稱密碼體制，由于工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送的多為周期性的短信息，所以采用這種加密方式還是比較迅速的。對于工業(yè)以太網(wǎng)來說是可行的。還要對外部節(jié)點的接入加以防范。（3）工業(yè)以太網(wǎng)的實時性目前主要是由以下幾點保證：限制工業(yè)以太網(wǎng)的通信負荷，采用100M的快速

15、以太網(wǎng)技術(shù)提高帶寬，采用交換式以太網(wǎng)技術(shù)和全雙工通信方式屏蔽固有的CSMA/CD機制。隨著網(wǎng)絡(luò)的開放互連和自動化系統(tǒng)大量IT技術(shù)的引入，加上TCP/IP協(xié)議本身的開放性和層出不窮的網(wǎng)絡(luò)病毒和攻擊手段，網(wǎng)絡(luò)安全可以成為影響工業(yè)以太網(wǎng)實時性的一個突出問題。1）病毒攻擊。在互聯(lián)網(wǎng)上充斥著類似Slammer、“沖擊波”等蠕蟲病毒和其它網(wǎng)絡(luò)病毒的襲擊。以蠕蟲病毒為例，這些蠕蟲病毒攻擊的直接目標雖然通常是信息層網(wǎng)絡(luò)的PC機和服務(wù)器，但是攻擊是通過網(wǎng)絡(luò)進行的，因此當這些蠕蟲病毒大規(guī)模爆發(fā)時，交換機、路由器會首先受到牽連。用戶只有通過重啟交換路由設(shè)備、重新配置訪問控制列表才能消除蠕蟲病毒對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備造成的影響。

16、蠕蟲病毒攻擊能夠?qū)е抡麄€網(wǎng)絡(luò)的路由震蕩，這樣可能使上層的信息層網(wǎng)絡(luò)部分流量流入工業(yè)以太網(wǎng)，加大了它的通信負荷，影響其實時性。在控制層也存在不少計算機終端連接在工業(yè)以太網(wǎng)交換機，一旦終端感染病毒，病毒發(fā)作即使不能造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓，也可能會消耗帶寬和交換機資源。2） MAC攻擊。工業(yè)以太網(wǎng)交換機通常是二層交換機，而MAC地址是二層交換機工作的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)依賴MAC地址保證數(shù)據(jù)的正常轉(zhuǎn)發(fā)。動態(tài)的二層地址表在一定時間以后（AGE TIME）會發(fā)生更新。如果某端口一直沒有收到源地址為某一MAC地址的數(shù)據(jù)包，那么該MAC地址和該端口的映射關(guān)系就會失效。這時，交換機收到目的地址為該MAC地址的數(shù)據(jù)包就會進行泛洪處

17、理，對交換機的整體性能造成影響，能導(dǎo)致交換機的查表速度下降。而且，假如攻擊者生成大量數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的源MAC地址都不相同，就會充滿交換機的MAC地址表空間，導(dǎo)致真正的數(shù)據(jù)流到達交換機時被泛洪出去。這種通過復(fù)雜攻擊和欺騙交換機入侵網(wǎng)絡(luò)方式，近來已有不少實例。一旦表中MAC地址與網(wǎng)絡(luò)段之間的映射信息被破壞，迫使交換機轉(zhuǎn)儲自己的MAC地址表，開始失效恢復(fù)，交換機就會停止網(wǎng)絡(luò)傳輸過濾，它的作用就類似共享介質(zhì)設(shè)備或集線器，CSMA/CD機制將重新作用從而影響工業(yè)以太網(wǎng)的實時性。目前信息層網(wǎng)絡(luò)采用的交換機安全技術(shù)主要包括以下幾種。流量控制技術(shù) ，把流經(jīng)端口的異常流量限制在一定的范圍內(nèi)。訪問控制列表（ACL

18、）技術(shù) ，ACL通過對網(wǎng)絡(luò)資源進行訪問輸入和輸出控制，確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不被非法訪問或被用作攻擊跳板。 安全套接層（SSL） 為所有 HTTP流量加密，允許訪問交換機上基于瀏覽器的管理 GUI。802.1x和RADIUS 網(wǎng)絡(luò)登錄 控制基于端口的訪問，以進行驗證和責任明晰。源端口過濾只允許指定端口進行相互通信。Secure Shell （SSHv1/SSHv2） 加密傳輸所有的數(shù)據(jù)，確保IP網(wǎng)絡(luò)上安全的CLI遠程訪問。安全FTP 實現(xiàn)與交換機之間安全的文件傳輸，避免不需要的文件下載或未授權(quán)的交換機配置文件復(fù)制。不過，應(yīng)用這些安全功能仍然存在很多實際問題，例如交換機的流量控制功能只能對經(jīng)過端口的各類流量進行簡單的速率限制，將廣播、組播的異常流量限制在一定的范圍內(nèi)，而無法區(qū)分哪些是正常流量，哪些是異常流量。同時，如何設(shè)定一個合適的閾值也比較困難。一些交換機具有ACL，但如果ASIC支持的ACL少仍舊沒有用。一般交換機還不能對非法的ARP（源目的MAC為廣播地址）進行特殊處理。網(wǎng)絡(luò)中是否會出現(xiàn)路由欺詐、生成樹欺詐的攻擊、802.1x的DoS攻擊、對交換機網(wǎng)管系統(tǒng)的DoS攻擊等，都是交換機面臨的潛在威脅。在控制層，工業(yè)以太網(wǎng)交換機，一方面可以借鑒這些安全技術(shù)，但是也必須意識到工業(yè)