【導讀】工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 需要為各種設備提供安全、實(shí)時(shí)和高帶寬的連接。工業(yè) 4.0 自動(dòng)化、水管理、油氣處理、運輸、公用事業(yè)電力管理以及類(lèi)似關(guān)鍵應用中的 IIoT 網(wǎng)絡(luò )也需要一種高效靈活的方式為設備供電，而且需要一種端口密度高的連接解決方案，以便在最小的空間內支持大量設備。下一代托管型以太網(wǎng)交換機可以滿(mǎn)足這些需求以及其他更多需求。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 需要為各種設備提供安全、實(shí)時(shí)和高帶寬的連接。工業(yè) 4.0 自動(dòng)化、水管理、油氣處理、運輸、公用事業(yè)電力管理以及類(lèi)似關(guān)鍵應用中的 IIoT 網(wǎng)絡(luò )也需要一種高效靈活的方式為設備供電，而且需要一種端口密度高的連接解決方案，以便在最小的空間內支持大量設備。下一代托管型以太網(wǎng)交換機可以滿(mǎn)足這些需求以及其他更多需求。
托管型以太網(wǎng)交換機可進(jìn)行遠程配置和控制，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )部署和更新。它們可以實(shí)現各種網(wǎng)絡(luò )架構，如具有冗余運行功能的星形和線(xiàn)形拓撲結構，包括符合適用于高可用性自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )的 IEC 62439-1。它們支持 IEEE 802.1 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò ) (TSN) 標準以及 IEEE 802.3 以太網(wǎng)供電 (PoE) 和 PoE+ 標準。
這些交換機通過(guò)了 ISASecure 計劃認證，適用于基于國際自動(dòng)化學(xué)會(huì )/國際電工委員會(huì ) (ISA/IEC) 62443 系列標準的現成即用型自動(dòng)化和控制系統。它們可進(jìn)行配置，將用于銅纜互連的 10/100BASE TX / RJ45 插槽與可調速度為 100 Mb/秒(Mb/s)、1 Gb/秒(Gb/s) 和 2.5 Gb/s 的三速光纖小型可插拔 (SFP) 插槽組合在一起。
本文首先簡(jiǎn)要介紹了從工業(yè) 3.0 的自動(dòng)化金字塔到工業(yè) 4.0 的自動(dòng)化支柱的過(guò)渡，回顧了部署網(wǎng)絡(luò )以承載緊急和非緊急流量的幾種選擇，并探討了如何融入和實(shí)現 TSN。然后，探討了 PoE 和 PoE+ 如何簡(jiǎn)化 IIoT 上傳感器、控制裝置和其他設備的供電，并介紹了安全的重要性，包括 ISASecure 認證以及線(xiàn)速訪(fǎng)問(wèn)控制列表 (ACL) 和自動(dòng)拒絕服務(wù) (DoS) 防護等高級安全功能。最后，闡述了使用托管型以太網(wǎng)交換機的好處，并介紹了 Hirschmann 的幾款典型 BOBCAT 托管型交換機。
從金字塔到支柱
從工業(yè) 3.0 的金字塔工廠(chǎng)架構到工業(yè) 4.0 的支柱架構的轉換，就是 TSN 發(fā)展的動(dòng)力。金字塔將工廠(chǎng)的職能劃分為從車(chē)間到中央控制和管理職能的不同層次。實(shí)時(shí)通信主要需要在工廠(chǎng)車(chē)間的最底層進(jìn)行，因為傳感器數據控制著(zhù)生產(chǎn)流程。工業(yè) 4.0 改變了這種情況。
工業(yè) 4.0 的自動(dòng)化支柱將層級從四個(gè)減少到兩個(gè)：現場(chǎng)層級和工廠(chǎng)骨干層級?，F場(chǎng)層級包括越來(lái)越多的傳感器和越來(lái)越豐富的控制器。一些控制器正從金字塔控制/可編程邏輯控制器 (PLC) 層向下移到現場(chǎng)層。與此同時(shí)，以前屬于控制/PLC 層的其他功能正在向工廠(chǎng)骨干網(wǎng)移動(dòng)，與制造執行系統 (MES)、監控和數據采集 (SCADA) 功能以及企業(yè)資源規劃 (ERP) 一起組成虛擬 PLC。
連接層將現場(chǎng)層和骨干層聯(lián)系在一起。連接層和現場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò )必須提供高速、低延遲的通信，并能同時(shí)傳輸低優(yōu)先級流量和時(shí)間關(guān)鍵型流量。TSN 通過(guò)在標準以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )上實(shí)現實(shí)時(shí)確定性網(wǎng)絡(luò ) (DetNet) 流量來(lái)滿(mǎn)足這一要求（圖 1）。
圖 1：從自動(dòng)化金字塔過(guò)渡到自動(dòng)化支柱具有 TSN 功能的連接鏈路。（圖片：Belden）
三種 TSN 配置
IEEE 802.1 以太網(wǎng)標準詳細說(shuō)明了 TSN 的三種配置：集中式、去中心化式（也稱(chēng)為完全分布式），以及集中式網(wǎng)絡(luò )和去中心化用戶(hù)的混合配置。在每種情況下，配置都是高度自動(dòng)化的，以簡(jiǎn)化 TSN 部署，首先要確定網(wǎng)絡(luò )中支持的 TSN 功能，然后激活所需的功能。此時(shí)，通話(huà)發(fā)送設備可發(fā)送有關(guān)要傳輸的數據流的信息。這三種方法在網(wǎng)絡(luò )中處理設備和數據流要求的方式上有所不同。
在集中式配置中，通話(huà)者和監聽(tīng)者通過(guò)集中式用戶(hù)配置 (CUC) 邏輯設備進(jìn)行通信。CUC 根據通話(huà)者和監聽(tīng)者信息創(chuàng )建數據流要求，并將其發(fā)送到集中式網(wǎng)絡(luò )配置 (CNC) 設備。CNC 根據網(wǎng)絡(luò )拓撲和資源可用性等因素確定下一個(gè)數據流的時(shí)隙，并向交換機發(fā)送所需的配置信息（圖 2）。
圖 2：集中式 TSN 架構使用 CUC 連接通話(huà)方和監聽(tīng)方，并使用 CNC 向交換機發(fā)送配置信息。（圖片來(lái)源：Belden）
在去中心化配置中，取消了 CUC 和 CNC，設備要求根據每個(gè)設備內部的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳播。在混合配置中，CNC 用于 TSN 配置，通話(huà)設備和監聽(tīng)設備通過(guò)網(wǎng)絡(luò )共享其需求（圖 3）。集中式和混合式方法可對網(wǎng)絡(luò )交換機進(jìn)行集中配置（托管式）。
圖 3：去中心化（上）和混合式（下） TSN 配置示例。（圖片來(lái)源：Belden）
PoE 和 PoE+
在工業(yè) 4.0 自動(dòng)化支柱中，以太網(wǎng)供電 (PoE) 是對 TSN 的有力補充。工業(yè) 4.0 的驅動(dòng)力之一是由許多傳感器、執行器和控制器組成的 IIoT。PoE 的開(kāi)發(fā)是為了應對為整個(gè)工廠(chǎng)或其他設施的 IIoT 設備供電的挑戰。
PoE 支持通過(guò)單根網(wǎng)線(xiàn)同時(shí)傳輸高速數據（包括 TSN）和電力。例如，使用 PoE 技術(shù)，48 伏直流電源可通過(guò) CAT 5/5e 電纜傳輸長(cháng)達 100 米。除了簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )安裝外，PoE 還能簡(jiǎn)化不間斷電源和冗余電源的實(shí)現，提高工業(yè)流程和設備的可靠性。
PoE 使用兩類(lèi)設備：向網(wǎng)絡(luò )注入電力的電源設備 (PSE) 和提取并使用電力的用電設備 (PD)。PoE 有兩種類(lèi)型?；?PoE 可為 PD 提供最大 15.4 W 的功率。PoE+ 是最近發(fā)展起來(lái)的，可為 PD 提供最高 30 W 的功率。
網(wǎng)絡(luò )安全
ISA 和 IEC 已制定了一系列工業(yè)自動(dòng)化和控制系統 (IACS) 標準。ISA/IEC 62443 系列包括四個(gè)部分。第 4 部分適用于設備供應商。IEC 62443-4-2 認證設備經(jīng)過(guò)獨立評估，采用安全設計，納入了針對網(wǎng)絡(luò )安全的最佳實(shí)踐。IACS 安全的兩個(gè)重要工具是訪(fǎng)問(wèn)控制列表 (ACL) 和拒絕服務(wù) (DoS) 攻擊保護。在這兩種情況下，網(wǎng)絡(luò )工程師都可以采用多種方法。
ACL 用于允許或拒絕流量進(jìn)入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )接口。使用 ACL 的一個(gè)好處是，它們以網(wǎng)絡(luò )速度運行，不會(huì )影響數據吞吐量，這是 TSN 實(shí)現中的一個(gè)重要考慮因素。Hirschmann 的 HiOS 將 ACL 分成三類(lèi)：
針對 TCP/IP 流量的基本 ACL，配置選項最少，只可設置權限規則，如“設備 A 只能與這組設備通信”，或“設備 A 只能向設備 B 發(fā)送特定類(lèi)型的信息”，或“設備 A 不能與設備 B 通信”。使用基本 ACL 可以簡(jiǎn)化和加快部署。
針對 TCP/IP 流量的高級 ACL，除了上述配置選項外，還提供更精細的控制?？梢愿鶕髁康膬?yōu)先級、報頭中設置的標志和其他準則來(lái)允許或拒絕流量。有些規則只能在一天中的某些時(shí)間適用?？蓪⒘髁跨R像到另一個(gè)端口進(jìn)行監控或分析?？梢詫⑻囟?lèi)型的流量強制傳輸到指定的端口，而不管其原來(lái)的目的地是哪里。
有些 IACS 設備不使用 TCP/IP，而 HiOS 還允許根據媒體訪(fǎng)問(wèn)控制 (MAC) 尋址在以太網(wǎng)幀級別設置 ACL。這些 MAC 級 ACL 可根據一系列準則進(jìn)行過(guò)濾，包括流量類(lèi)型、時(shí)間、源或目標 MAC 地址等（圖 4）。
圖 4：MAC 級 ACL 可用于不使用 TCP/IP 的設備。（圖片來(lái)源：Belden）
雖然 ACL 必須配置，但 DoS 防護通常已嵌入設備并自動(dòng)實(shí)現。它可以處理通過(guò) TCP/IP、傳統 TCP/UDP 和互聯(lián)網(wǎng)控制消息協(xié)議 (ICMP) 發(fā)起的攻擊。在 TCP/IP 和 TCP/UDP 情形下，DoS 攻擊采取與協(xié)議棧相關(guān)的各種形式，即向受攻擊設備發(fā)送不符合標準的數據包?；蛘呤褂檬芄粼O備的 IP 地址向該設備發(fā)送數據包，從而可能導致無(wú)休止的循環(huán)回復。以太網(wǎng)交換機可以通過(guò)自動(dòng)過(guò)濾惡意數據包來(lái)保護自己和網(wǎng)絡(luò )上的傳統設備。
另一種常見(jiàn)的 DoS 攻擊來(lái)自 ICMP ping。Ping 的目的是確定整個(gè)網(wǎng)絡(luò )上設備的可用性和響應時(shí)間，但也可用于 DoS 攻擊。例如，攻擊者可以發(fā)送一個(gè)有效載荷足夠大的 ping，導致接收設備的緩沖區溢出，使協(xié)議棧崩潰。如今的托管型以太網(wǎng)交換機可以自動(dòng)防止基于 ICMP 的 DoS 攻擊。
托管型交換機
Hirschmann 的 BOBCAT 托管型以太網(wǎng)交換機支持 TSN，通過(guò)將 SFP 從 1 Gb/s 調整到 2.5 Gb/s，無(wú)需更換交換機即可擴展帶寬能力。其端口密度很高，單個(gè)設備最多可容納 24 個(gè)端口，并提供 SFP 或銅纜上行鏈路端口選擇（圖 5）。其他特性包括：
· ISASecure CSA / IEC 62443-4-2 認證，包括 ACL 和自動(dòng) DoS 防護
· 8 個(gè) PoE/PoE+ 端口無(wú)需負載分擔即可支持最高 240 W 的功率
· 標準環(huán)境工作溫度范圍為 0°C 至 +60°C，擴展溫度型號的工作溫度范圍為 -40℃ 至 +70 ℃ · 通過(guò) ISA12.12.01 危險場(chǎng)所使用認證的型號
圖 5：BOBCAT 托管型以太網(wǎng)交換機有多種配置可供選擇。（圖片來(lái)源：Hirschmann）
Hirschmann BOBCAT 交換機實(shí)例包括：
· BRS20-4TX 配有四個(gè) 10/100 BASE TX / RJ45 端口，額定環(huán)境溫度為 0°C 至 +60°C
· BRS20-4TX/2FX 配備四個(gè) 10/100 BASE TX / RJ45 端口和兩個(gè) 100 Mb/s 光纖端口，額定環(huán)境溫度為 0°C 至 +60°C
· BRS20-4TX/2SFP-EEC-HL 配有四個(gè) 10/100 BASE TX / RJ45 端口和兩個(gè) 100 Mb/s 光纖端口，額定環(huán)境溫度為 -40°C 至 +70°C，通過(guò) ISA12.12.01 危險場(chǎng)所使用認證
· BRS20-4TX/2SFP-HL 配有四個(gè) 10/100 BASE TX / RJ45 端口和兩個(gè) 100 Mb/s 光纖端口，額定環(huán)境溫度為 0°C 至 +60°C，通過(guò) ISA12.12.01 危險場(chǎng)所使用認證
· BRS30-12TX 配備 8 個(gè) 10/100 BASE TX / RJ45 端口和 4 個(gè) 100 Mb/s 光纖端口，額定環(huán)境溫度為 0°C 至 +60°C
· BRS30-16TX/4SFP 配有十六個(gè) 10/100 BASE TX / RJ45 端口和四個(gè) 100 Mb/s 光纖端口，額定環(huán)境溫度為 0°C 至 +60°C
結語(yǔ)
托管型以太網(wǎng)交換機一般支持 TSN、PoE 和 PoE+，能夠提供高水平的網(wǎng)絡(luò )安全，并提供 IIoT 和工業(yè) 4.0 支柱網(wǎng)絡(luò )結構所需的高帶寬連接。這些交換機易于配置、端口密度高、工作溫度范圍廣，并提供通過(guò) ISA12.12.01 危險場(chǎng)所使用認證的版本。
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