如何克服融合网络的挑战

主编Leslie Langnau

将工业网络与企业网络融合的趋势遇到了几种挑战，包括缺乏一致的指导和建议和遗留系统。使用融合的植物以太网系统可以解决许多这些挑战。

随着制造企业扩大其全球业务以利用新机会并降低运营成本，它们必须不断增加工业自动化和控制系统(IACS)与业务系统之间的连通性，以:

• 确保全球业务的质量和表现一致
• 平衡生产与需求
• 改进并满足法规遵从性

目标是获得更灵活和敏捷的制造操作，以应对快速变化的市场条件。

工业自动化和控制系统(IACS)制造商目前未能达到这些目标。解决办法是更好地获取信息。有了数据的持续流动，工程师和管理人员就可以开发出更有效的方式，在全球范围内与供应商、员工和合作伙伴建立联系，从而更有效地满足终端客户的需求。

为了获得更多的信息，制造商正在将他们的IACS网络与企业网络融合。然而，成功的融合所面临的挑战包括:

•可靠性-全球集成挑战了系统提供数据一致性访问的能力，同时使制造环境更加灵活。必须解决的问题包括安全性、可用性和资产使用，因为IACS设备是关键任务，效率对于保持竞争力非常重要。

•成本-由于使用多个网络，需要管理、培训、集成、网关、备件等，因此遗留的IACS很难与企业集成，操作成本也很高。

•产品设计整合-与当地主题专家的接触受限，限制了协同制造。

•服务集成- 将实时工厂生产力和运营数据转化为制造执行系统（MES），客户关系管理（CRM），供应链管理（SCM）和其他企业资源规划（ERP）系统限制并限制正在进行的服务 -导向的架构。

•合作伙伴关系- 劳动力和减少的劳动力和增加的制造复杂性，制造商正试图找到利用与IACS供应商的关系的方法来支持其厂房楼层应用。

这些挑战促使制造商在整个制造环境中采用标准的以太网和IP网络技术。但是，这里的挑战延缓了该技术的采用。

一个挑战是缺乏与IT和控制工程师相关的一致的指导和建议。另一个挑战是，一些IACS供应商继续推广传统的或特定于应用程序的IACS网络技术。

现代的全双工交换式以太网提供实时性能，包括延迟、抖动和避免丢包，满足或超过IACS应用程序的需求，同时提供比它们所取代的旧现场总线网络更好的好处。此外，这些现代网络拥有成熟的和经过测试的技术，可以安全地保护网络和它们互连的系统，而不是旧的现场总线网络。

IACS网络环境在过去的几年里不断发展，其驱动因素不是特定于工业以太网，而是一般的IACS网络。这些被视为最佳实践的特点是:

• 工业特征
• 互连和互操作性
• 实时通信，确定性和性能
• 可用性
• 安全
• 可管理性
• 可伸缩性

IACS终端设备和网络基础设施位于环境恶劣的环境中，要求符合环境规范，如IEC529(入口保护)或NEMA规范。

IACS设备的物理布局会影响网络拓扑。与IT网络不同，它在很大程度上是冗余之星拓扑网络，IACS网络需要使用总线，线性，星形和环形拓扑。在具有长生产线的植物中，或长期运行的设备（如印刷机），使用冗余星形拓扑通常是不可行的或经济有效的。在制造环境中，布线的成本很高。鉴于这些成本考虑，许多制造商选择实施环形拓扑，而不是冗余星形拓扑，其中网络弹性是一个要求。在许多情况下，IACS网络使用拓扑的组合，具有连接多星级基的细胞/区域的大环。

IACS网络设备可以在第7层（应用）中使用标准，公共协议进行互操作，但是通常需要一些网关设备/服务来执行应用层转换。

一种解决方案是融合工厂以太网(CPwE)设计，它基于使用CIP作为IACS网络互操作性的通用应用层协议，使用Ethernet /IP作为IACS网络。

带有CIP应用层协议的TCP/IP协议套件有助于确保IACS设备(无论供应商是谁)能够一起通信和工作。此外，来自组织(如ODVA)的一致性测试验证了来自不同供应商的以太网/IP设备之间的通信和互操作。

TCP / IP标准概述了一系列功能和功能。因此，在理论上，CPWE指定的概念，建议和实现应适用于一系列其他供应商的设备和解决方案。

实现实时通信的主要考虑因素包括:

• 第2层网络中的交换机，路由器和流量数量，所有这些都会影响延迟和抖动。
• 根据流量负载和模式设置交换机端口与上行交换机端口的比例。通常情况下，这意味着IACS设备使用10/ 100mbps，上行链路使用10/100/ 1000mbps。
• 使用Internet组管理协议(IGMP)来管理组播流量的有效传送。
• 利用服务质量(quality-of-service, QoS)参数来满足各种流量流的实时需求。

关键的可用性考虑包括:

• 创建替代的数据通信路径，而不考虑物理布局。风险概况、机会成本、文化和其他变量决定了需要多少冗余路径以及冗余路径的级别。
• 通过关键操作消除单点故障，这可能包括使用双电源、冗余介质的替代路由和冗余IACS网络基础设施，如路由器、交换机和防火墙。
• 使用先进的网络弹性和收敛技术来提高可用性，如EtherChannel/LACP、MSTP、Flex Links和HSRP。
• 尽管冗余星型拓扑提供了最佳的收敛能力，但在环形拓扑中配置时，请考虑替代的环形恢复技术。
• 使用EIGRP或OSPF等路由协议实现高可用性。

将IACS网络连接到企业网络将IACS应用程序和企业网络暴露于互联网的安全风险。由于在IACS中的可用性和这些系统对不同中断的敏感性的要求，因此，减轻了这些风险比在企业网络中更困难，更重要的是在企业网络中更困难且更重要。在机密性，完整性和可用性的三个安全性质中，IACS应用主要涉及可用性和完整性。IACS网络支持的许多应用程序无法停止或中断，而不会严重地损坏或通过可衡量的财务损害损失生产力。

使用以太网和IP建立安全可靠的IACS网络一直是一个挑战。但是CPwE体系结构的特定安全原则可以帮助确保传输的安全。这些原则是:

• 控制数据在不同IACS级别（ACL，防火墙规则等）之间流动。
• 防止IACS与企业应用程序直接通信。
• 将实时生产数据限制在IACS网络中。
• 限制企业对DMZ(也称为外围网络)的镜像版本或IACS数据副本的访问。
• 基于IACS网络中的级别和角色(读/读写/本地/远程/供应商/合作伙伴)对用户访问进行身份验证和授权。
• 控制非法访问IACS网络中的交换机(端口级mac地址控制，以管理方式关闭未使用的端口等)。
• 控制哪些IACS设备可以插入交换机(如端口安全、DHCP snooping等)。
• 检测并减少来自插入IACS网络的受感染设备的恶意流量。
• 检测和减少来自企业IT网络的恶意流量。
• 远程访问IACS设备的安全连接。
• 根据所需的成本、安全和冗余级别使用DMZ设计选项。
• 限制影响网络设备（设置根桥，SNMP功能等）的流氓网络通信活动。
• 关于DMZ中的数据和服务，连接启动应源自制造或企业区域并终止于DMZ。源自DMZ的连接应该是例外。
• 记录并定义适合环境的政策和风险。

以上是作为原则提供的，理解客户可以选择例外。

IACS环境中的通信-消息传递模型与传统的客户机-服务器或点对点IT模型有着松散的联系。与典型的IT环境不同，标准的以太网和IP IACS网络通信具有不同的模式、负载和频率。标准的IACS网络通信也由设备之间的状态轮询、循环数据传输或状态消息模式的更改驱动。各层的不同需求导致关键的IACS供应商定义了各种通信模型，包括OSI第1层到第7层网络协议。

使用标准以太网和IP的IACS网络有一个共同的核心。这包括物理传输技术(以太网，第1层)，总线访问方法(以太网，第2层)，互联网协议(IP，第3层)，TCP和UDP协议(第4层)，以及其他标准协议，如超文本传输协议(HTTP)，文件传输协议(FTP)，简单网络管理协议(SNMP)。所有这些都是在IT内部建立的，并在不同程度上实现，在IACS应用程序中没有改变。

以太网和IP IACS网络的目标是确保选择的应用层协议，假设它基于标准以太网和IP，以满足IACS应用的操作约束。

CIP是一种消息传递协议，它定义了不同的IACS网络设备、系统和应用程序如何组合在一起形成IACS应用程序。EtherNet/IP是一种应用层协议(OSI layer 5 ~ 7)。EtherNet/IP将EtherNet TCP/IP的应用扩展到CIP应用的IACS中。

CIP是一种基于连接的协议，提供了两种主要的消息传递类型:显式信息传递和隐式I/O。该协议指定了一组用于开发IACS网络的对象和服务。CIP是在四个网络的应用层实现的:CompoNet、DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP。

EtherNet/IP的CIP实现的重要方面是所使用的各种类型的消息传递以及它们在标准EtherNet TCP/IP中是如何实现的。

以太网/ IP实现的其他关键技术注意事项包括以下内容：

• 生产者-消费者模型指定I/O数据的“生产者”通过UDP单播或多播进行通信。消费者(例如，控制器)通常用UDP单播消息进行响应。在选择使用组播的情况下，思科、罗克韦尔自动化和ODVA推荐使用IGMP管理组播流量流。
• 以太网/IP实现传统上无法路由多播流量，因为IP包中的生存时间字段被设置为1。尽管更新的CIP EtherNet/IP规范(CIP规范版本1.3，卷2 EtherNet/IP Adaptation of CIP, 2006年12月)呼吁取消这一限制，有几个建议是基于TTL=1的实现，因为组播流量的路由需要应用一组更复杂的协议和考虑因素。
• 根据当前的以太网/IP标准，为每个“产生”信息的以太网/IP适配器和控制器建立的每个“产生”标签(共享的数据块)创建一个多播组。EtherNet/IP指定了建立组播地址的算法以及加入和离开组播组的命令。当前的以太网/IP组播是基于IGMP版本2的，尽管有些设备(生产者)可能仍然基于IGMP版本1。IGMP版本1的设备应该在版本2的环境中运行。这没有在CPwE解决方案中进行测试。
• 根据设备生产者的不同，可能会启用选项来配置设备产生的流量是单播还是组播。这使得小区/区域区域设计更加灵活，并提供了管理小区/区域区域内多播组数量的方法。

本材料摘自罗克韦尔自动化公司和思科公司的一份名为“全工厂融合以太网设计和实现指南”的报告。这份报告的作者是:Paul Didier，思科系统企业系统工程行业解决方案架构师，Fernando Macias，思科系统企业系统工程技术营销工程师，James Harstad，思科系统企业系统工程高级项目经理，Rick Antholine，商业工程师，商业工程罗克韦尔自动化，Scott A. Johnston，罗克韦尔自动化网络和安全服务顾问，Sabina Piyevsky，罗克韦尔自动化全球销售和营销-商业工程团队领导，Mark Schillace，高级商业工程师，罗克韦尔自动化全球销售和营销-商业工程，Gregory Wilcox，罗克韦尔自动化罗克韦尔自动化网络业务开发经理，Dan Zaniewski，罗克韦尔自动化高级商业工程师，Steve Zuponcic，罗克韦尔自动化营销架构师

罗克韦尔自动化
www.rockwellautomation.com

思科(csco . o:行情)。
www.cisco.com

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标记:罗克韦尔，思科

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