《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全》課件-第二節(jié) 工業(yè)數(shù)據(jù)通信的實(shí)例與仿真 -p1

教材第一章：工業(yè)控制系統(tǒng)通信及專(zhuān)有協(xié)議1.1數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)傳輸串行通信通信網(wǎng)絡(luò)1.2工業(yè)以太網(wǎng)以太網(wǎng)技術(shù)典型的工業(yè)以太網(wǎng)1.3現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)幾種有影響力的現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用領(lǐng)域1.4工業(yè)通信中主要的通信協(xié)議與總線實(shí)例ModbusProfibusCAN總線DNP3規(guī)范OPC規(guī)范第二節(jié)：工業(yè)數(shù)據(jù)通信實(shí)例與仿真介紹以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)的相關(guān)協(xié)議介紹工控系統(tǒng)主要總線類(lèi)型介紹工控系統(tǒng)通信協(xié)議仿真網(wǎng)絡(luò)（例1：Point-to-Point

例2：Busnetwork（略））以太網(wǎng)IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)制定以太網(wǎng)(Ethernet)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)幾乎使用硬件實(shí)現(xiàn)的。物理層定義了傳輸介質(zhì)、連接器、電信號(hào)類(lèi)型和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，用于完成?shù)據(jù)的編譯碼和信道訪問(wèn)。數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷?，主要?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)拆裝和鏈路的管理，保證數(shù)據(jù)幀在鏈路上無(wú)差錯(cuò)地可靠傳輸。以太網(wǎng)采用星型或總線型結(jié)構(gòu)，傳輸速率為10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s或更高，以太網(wǎng)物理層傳輸電纜常用的是10BASE-T雙絞線電纜，此外還有10BASE-2（細(xì)纜）、10BASE-5（粗纜），在高速傳輸和有干擾的場(chǎng)合，采用100BASE-F（光纖）。以太網(wǎng)線纜的類(lèi)型以及系統(tǒng)板的I/O決定以太網(wǎng)I/O傳輸是串行的還是并行的。收發(fā)器：介質(zhì)連接單元（MAU）介質(zhì)相關(guān)接口（MDI）是網(wǎng)絡(luò)端口。物理介質(zhì)連接（PMA）組件，“包含發(fā)送、接收功能”連接單元接口（AUI），傳遞編碼信號(hào)以太網(wǎng)接口：存在于主處理器或從處理器，包含其他以太網(wǎng)硬件和軟件組件。物理層信號(hào)（PLS）子層（型號(hào)特性、連接器、線纜長(zhǎng)度），監(jiān)視傳輸介質(zhì)媒體訪問(wèn)控制（MAC），檢查載波偵聽(tīng)信號(hào)，發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸。解決信道爭(zhēng)用的問(wèn)題。邏輯鏈路控制（LLC），把傳輸?shù)臄?shù)據(jù)組成幀，解決差錯(cuò)控制和流量控制。設(shè)備MDIPMAMAUAUI以太網(wǎng)接口PLSMAC/MAC控制主（從）處理器以太網(wǎng)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層分為媒體訪問(wèn)控制（MAC）子層和邏輯鏈路控制（LLC）子層。MAC子層的任務(wù)是解決網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)信道所帶來(lái)的信道爭(zhēng)用問(wèn)題（例如，CSMA/CD,令牌環(huán)）；LLC子層的任務(wù)是把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)組成幀，并且解決差錯(cuò)控制和流量控制的問(wèn)題，從而在不可靠的物理鏈路上實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)幀開(kāi)始有7個(gè)字節(jié)的同步碼（Preamble）7*0xAA，和1個(gè)字節(jié)的同步碼0xAB。是由物理層添加的。DSAP:0xAA,DSAP:0xAA,控制：0x03目的MAC地址源MAC地址總長(zhǎng)度DSAPSSAP控制數(shù)據(jù)FCS6字節(jié)6字節(jié)2字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)43-1497字節(jié)4字節(jié)工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)的出現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的需要與發(fā)展多智能儀器儀表及其他自動(dòng)化設(shè)備的大量使用數(shù)字信號(hào)大規(guī)模代替模擬信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)總線的種類(lèi)繁多，互不兼容工業(yè)生產(chǎn)及環(huán)境對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)通信的要求材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性、實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不僅需要數(shù)據(jù)通信支持，而且需要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)完成自控功能任務(wù)和系統(tǒng)計(jì)算目前，工業(yè)以太網(wǎng)主要在控制級(jí)和監(jiān)控級(jí)。工業(yè)以太網(wǎng)的功能要求通信的實(shí)時(shí)性和確定性實(shí)時(shí)性（real-time）：響應(yīng)同步性，5~10ms，提出實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，光纖的應(yīng)用。確定性：負(fù)載在規(guī)定時(shí)間內(nèi)獲得數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)。提高通信速率網(wǎng)段劃分，增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)和過(guò)濾雙絞線的全雙工通信方式傳統(tǒng)IT系統(tǒng)？工業(yè)以太網(wǎng)的功能要求網(wǎng)絡(luò)的可用性和彈性可靠性，網(wǎng)絡(luò)作為工控的基礎(chǔ)設(shè)施，冗余網(wǎng)絡(luò)可恢復(fù)性：自動(dòng)恢復(fù)、故障隔離，鏈路冗余可維護(hù)性：故障定位和自動(dòng)報(bào)警網(wǎng)絡(luò)安全性：將三層網(wǎng)絡(luò)（信息、控制、設(shè)備）合為一體。網(wǎng)絡(luò)隔離環(huán)境適應(yīng)性：工業(yè)環(huán)境，例如高溫、高濕、噪音、輻射等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響。傳統(tǒng)IT系統(tǒng)？典型工業(yè)以太網(wǎng)IT領(lǐng)域，典型的應(yīng)用層協(xié)議包括HTTP、FTP、SNMP等工業(yè)控制系統(tǒng)沒(méi)有形成統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議，影響力較大的有，Ethernet/IP實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、ProfiNet、ModBus等。典型工業(yè)以太網(wǎng)-Ethernet/IP實(shí)時(shí)以太網(wǎng)采用以太網(wǎng)通信芯片以及物理介質(zhì)在TCP/IP之上附加CIP（CommonIndustrialProtocol)實(shí)時(shí)擴(kuò)展功能，在應(yīng)用層進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和運(yùn)行實(shí)時(shí)應(yīng)用。Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)兼容性和互操作性好，資源共享能力強(qiáng)，可以很容易的實(shí)現(xiàn)控制現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)上的資源共享數(shù)據(jù)的傳輸距離長(zhǎng)、傳輸速率高易與Internet連接，低成本、易組網(wǎng)，與計(jì)算機(jī)、服務(wù)器的接口十分方便，受到了廣泛的技術(shù)支持。基于商業(yè)以太網(wǎng)開(kāi)發(fā)的各種以太網(wǎng)報(bào)文偵聽(tīng)和流量?jī)?yōu)化控制軟件，甚至可以不加修改地應(yīng)用到工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)中。目前EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用主要是在自動(dòng)化領(lǐng)域的信息層和控制層。典型工業(yè)以太網(wǎng)-Ethernet/IP實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)用層和用戶(hù)層的合適是控制及信息協(xié)議（CIP）。作為一種工業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的應(yīng)用層協(xié)議，CIP用以支持程序、輸入輸出、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、路由，被DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP等使用。CIP協(xié)議最重要的特點(diǎn)是可以傳輸多種類(lèi)型的數(shù)據(jù)。工業(yè)應(yīng)用中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)型有I/O、互鎖、配置、故障診斷、程序上傳和下載。這些不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)對(duì)傳輸服務(wù)質(zhì)量的要求是不同的，例如，數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性、單位時(shí)間內(nèi)有通信行為的節(jié)點(diǎn)所占的比例或傳輸實(shí)時(shí)性。CIP根據(jù)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對(duì)傳輸服務(wù)質(zhì)量要求的不同，把報(bào)文分為兩種：顯式報(bào)文和隱式報(bào)文。顯式報(bào)文用于傳輸對(duì)時(shí)間沒(méi)有苛求的數(shù)據(jù)，例如，程序的上傳和下載、系統(tǒng)維護(hù)、故障診斷、設(shè)備配置等。隱式報(bào)文用于傳輸對(duì)時(shí)間有苛求的數(shù)據(jù)，例如，I/O、實(shí)時(shí)互鎖等。在網(wǎng)絡(luò)底層協(xié)議的支持下，CIP用不同的方式傳輸不同類(lèi)型的報(bào)文，以滿足對(duì)傳輸服務(wù)質(zhì)量的不同要求。CIP是面向連接的，在通信開(kāi)始之前建立起連接，獲取位移的連接標(biāo)識(shí)符（ConnectionID）。如果連接涉及到雙向的數(shù)據(jù)傳輸，就需要兩個(gè)CID。CID的定義格式是與具體網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的。另外，CIP使用生產(chǎn)者和消費(fèi)者的形式，允許網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)從一個(gè)數(shù)據(jù)源存取同一數(shù)據(jù)，因此是數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到按需的最優(yōu)化，避免了帶寬浪費(fèi)，提高了系統(tǒng)通信效率，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。典型工業(yè)以太網(wǎng)-ProfiNetProfiNet實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)是由ProfibusInternational（PI)組織提出的基于以太網(wǎng)的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)。它基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)，是一種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，同時(shí)無(wú)縫地集成現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。作為完整、先進(jìn)的工業(yè)通信解決方案，ProfiNet包括8個(gè)主要功能模塊，分別為實(shí)時(shí)通信、分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、分布式智能、網(wǎng)絡(luò)安裝、IT標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)安全、故障安全和過(guò)程自動(dòng)化。典型工業(yè)以太網(wǎng)-ProfiNetProfiNet的物理層采用了快速以太網(wǎng)的物理層，數(shù)據(jù)鏈路層采用的也是IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，但采取了改進(jìn)措施；網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層采用了IP/TCP/UDP，OS1中的第5層、第6層未用。典型工業(yè)以太網(wǎng)-ProfiNet由于TCP/IP或UDP/IP都不能滿足過(guò)程數(shù)據(jù)循環(huán)更新時(shí)間小于10ms的要求，對(duì)以太網(wǎng)中影響實(shí)時(shí)性和確定性的因素也必須改進(jìn)才能滿足工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的要求。從圖中可以看出，在ProfiNet設(shè)備的一個(gè)通信循環(huán)周期內(nèi)，ProfiNet提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通信通道和兩類(lèi)實(shí)時(shí)通信通道。標(biāo)準(zhǔn)通道是使用TCP/IP協(xié)議的非實(shí)時(shí)通信通道，主要用于設(shè)備參數(shù)化、組態(tài)和讀取診斷數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)通道RT是軟實(shí)時(shí)SRT（SoftwareRT)方案，主要用于過(guò)程數(shù)據(jù)的高性能循環(huán)傳輸、事件控制的信號(hào)與報(bào)警信號(hào)等。為優(yōu)化通信功能，ProfiNet根據(jù)IEEE802.1p定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，最多可用7級(jí)。實(shí)時(shí)通道IRT采用了IRT（IsochronousReal-Time)等時(shí)同步實(shí)時(shí)的ASIC芯片解決方案，以進(jìn)一步縮短通信棧軟件的處理時(shí)間，特別適用于高性能傳輸、