北京軟件開發(fā)公司華盛恒輝物聯(lián)網開發(fā)以太網是工業(yè)物聯(lián)網關鍵嗎?

　　預計到 2020 年將有 340 億臺設備連接到物聯(lián)網 (IoT)，其中企業(yè)和政府將占這些連接的 55% 以上。隨著物聯(lián)網對提高效率(例如降低運營成本和提高生產力)的承諾，“智能對象”之間的嵌入式機器對機器 (M2M) 通信在商業(yè)、工業(yè)和政府實體中越來越普遍。

　　與消費物聯(lián)網不同，工業(yè)物聯(lián)網 (IIoT) 對數(shù)據(jù)完整性、可靠性和安全性的要求要嚴格得多。中斷的威脅給整個數(shù)字網絡帶來了巨大的安全風險，但 IIoT 前所未有的透明度和效率的前景仍然令人信服。

　　連接的 IIoT 對象的實時可見性和控制需要具有遠程管理功能的高性能、低延遲網絡。以太網已經成為企業(yè)、數(shù)據(jù)中心和許多服務提供商網絡的首選技術，因為它具有標準化、多功能性、高性能和低成本等優(yōu)勢。

　　然而，今天的 IIoT 網絡主要使用專門的網絡協(xié)議和各種傳統(tǒng)設備的安裝基礎。這使得全 IP 以太網基礎設施的現(xiàn)代化變得更加復雜。這些異構網絡的升級策略必須在工業(yè)設置的必要性(系統(tǒng)可靠性、確定性和安全性)與遷移到以太網提供的標準化和低成本網絡解決方案之間取得平衡。

　　IIoT北京軟件開發(fā)公司面臨的三大挑戰(zhàn)是安全性、確定性和網絡遷移。應對這些挑戰(zhàn)需要結合使用以太網交換解決方案、可編程設備、高精度定時、以太網供電 (PoE) 和應用優(yōu)化軟件等技術。

　　工業(yè)網絡安全

　　當今工業(yè)網絡的安全性通常以通過防火墻與企業(yè)網絡和 Internet 隔離為前提。更廣泛的保護工業(yè)網絡的嘗試通常會導致網絡停機、代價高昂的網絡拓撲更改或兩者兼而有之，從而危及工廠生產力、收入，有時甚至會危及安全。但是，僅僅因為我們認為某個工業(yè)網絡與 Internet 隔離而假設它受到保護是一種誤解。

　　正如最近的網絡攻擊所表明的那樣，現(xiàn)實情況是將現(xiàn)代工業(yè)網絡與互聯(lián)網隔離實際上會降低其安全性，因為管理和診斷問題更加困難。隨著公司更新供應鏈、采用新技術或發(fā)展以應對新的競爭威脅和機遇，孤立的網絡也難以擴展和重新配置。

　　IIoT 網絡安全必須采取多層方法來保護數(shù)據(jù)平面、管理(網絡和元素)和控制(協(xié)議)平面。這三個都需要保護，特別是對于 M2M 通信。典型的方法依賴于數(shù)據(jù)加密、管理和控制流量、尋址身份驗證、授權和計費 (AAA) 以及數(shù)據(jù)完整性。

　　全網加密是保證所有網絡流量安全的另一層。在以太網網絡中，MACsec (IEEE 802.1AE) 和 Keysec(現(xiàn)在是 IEEE 802.1X 的一部分)是 L2 加密和密鑰管理協(xié)議，用于保護以太網物理端口和 VLAN。為了進一步增強機密性，IEEE 802.1AEbn 包括某些政府機構現(xiàn)在要求的強大的 256 位加密。

　　雖然僅靠加密不足以保護網絡安全，但在網絡設備和端點中使用強大的 256 位加密(如 MACsec)可以為基于以太網的 IIoT 網絡所需的身份驗證、數(shù)據(jù)完整性和用戶機密性提供一種手段。此外，利用具有內置安全功能的 FPGA 可用于在系統(tǒng)中提供信任根。這些設備通常用于安全啟動外部處理器，添加另一個安全層以防止篡改網絡元素以查找密鑰。

　　隨著 IIoT 變得越來越普遍，公司將越來越多地尋求在網絡邊緣獲取數(shù)據(jù)，使用大數(shù)據(jù)分析和云計算來擴展處理并實際利用所有這些數(shù)據(jù)?；ヂ?lián)網連接是必不可少的。這就是與分布式網絡硬件密切合作的集中式安全編排方法可以提供保護 IIoT 網絡的有效方法的地方。

　　歸根結底，工業(yè)網絡必須采用多層安全方法，以確保網絡的可靠性和正常運行時間，同時不限制操作。

　　決定論

　　在考慮以太網中的確定性性能和網絡可靠性時，期望特定功能在精確的時間范圍內發(fā)生。當每個網絡元素都具有時間感知能力并且可以識別它是否“準時”傳送以太網數(shù)據(jù)包時，這是可能的。

　　但只是解決方案的一部分。當今存在使用 IEEE 1588v2 在以太網中同步和分配精確“時間”的機制;然而，最新的時間敏感網絡 (TSN) 標準為系統(tǒng)開發(fā)人員帶來了一種非常面向時間的流量調度方式。

　　TSN 標準由 IEEE 802 小組開發(fā)，擴展了以太網功能，使其成為真正的工業(yè)級實時通信協(xié)議。元素包括時鐘同步、基于時間的消息處理、幀搶占和無縫冗余。

　　TSN (AVB Gen2) 是一套提供以下功能的標準：

　　時間敏感應用的定時和同步 (IEEE 802.1ASbt)

　　計劃流量的增強功能 (IEEE 802.1Qbv)

　　幀搶占 (IEEE 802.1Qbu)

　　冗余網絡的路徑控制和預留 (IEEE 802.1Qca)

　　流預留協(xié)議 (SRP) 增強以支持 Qbu/Qbv/Qca/CB (IEEE 802.1Qcc)

　　無縫冗余 (IEEE 802.1CB)。

　　例如，除了提高可用性和性能外，IEEE 802.1ASbt 還增加了一步時間戳支持。與上一代標準中使用的兩步過程相比，這減少了傳送網絡定時信息所需的數(shù)據(jù)包數(shù)量。數(shù)據(jù)包流量和計算能力的減少在廣泛的菊花鏈時間感知網絡中是有益的。IEEE 802.1ASbt 還通過提供多級同步來提高定時信息的可用性，以在各個網絡節(jié)點獲得準確的定時。

　　新的 TSN 功能將為以太網網絡提供 IIoT 應用中通信所需的實時確定性和低延遲。這將消除可能阻止使用以太網作為其主要骨干網的 IIoT 網絡的最后一個障礙，推動關鍵和非關鍵控制和數(shù)據(jù)流量融合到單個網絡上。

　　雖然帶有 TSN 的以太網最終將成為工業(yè)網絡部署的合理確定性主干，但至少在可預見的未來，專有接口將繼續(xù)存在。能夠在以太網、IEEE 1588、TSN 和專用工業(yè)協(xié)議之間進行轉換同時保持確定性行為的 FPGA/SoC 將是至關重要的。

　　確定性是使用 FPGA 相對于 MCU 的主要優(yōu)勢之一。例如，使用 EtherCAT 的聯(lián)網電機控制應用將受益于 FPGA 架構的確定性特性。FPGA 可以以盡可能低的延遲實現(xiàn)協(xié)議轉換和電機控制算法。與 MCU 不同，F(xiàn)PGA 能夠以確定性方式傳輸數(shù)據(jù)并與遠程節(jié)點同步執(zhí)行確定性電機控制。

　　網絡遷移

　　IIoT 網絡最終遷移到 IP/以太網是給定的，但重要的是要認識到這種轉變所特有的兩個主要因素：

　　專為局域網 (LAN) 設計的以太網標準、組件和系統(tǒng)并不適合 IIoT 網絡。

　　IIoT 網絡遷移需要采取平衡措施來支持現(xiàn)有的“非標準”協(xié)議，并使網絡做好準備以利用早期創(chuàng)新。

　　因此，當面對典型的工業(yè)網絡時——由使用多種專用網絡協(xié)議的遺留設備的異構安裝基礎組成——軟件開發(fā)人員應該尋找?guī)讉€關鍵元素來簡化他們的網絡向以太網的遷移：

　　以太網和現(xiàn)場總線接口的多協(xié)議支持，以確保大規(guī)模異構網絡中的互操作性和可擴展性

　　優(yōu)化的以太網交換機軟件堆棧，便于部署和管理

　　統(tǒng)一的硬件和軟件，以可靠地提供工業(yè)通信所需的實時確定性和低延遲

　　端口配置和同步選項的靈活性，同時滿足 IIoT 的環(huán)境和操作要求

　　高達 95 W 的以太網供電 (PoE) 選項可為遠程設備安全供電，簡化部署

　　通過結合以下硬件和軟件開發(fā)的實用組合，上述所有內容都可以實現(xiàn)：

　　低功耗且安全的 FPGA 解決方案

　　為工業(yè)部署優(yōu)化的以太網交換芯片

　　軟件堆棧不僅提供可管理性和監(jiān)控功能，還提供安全編排軟件生態(tài)系統(tǒng)

　　專為工業(yè)環(huán)境設計的堅固耐用的 PoE 解決方案。

　　需要注意的是，IIoT軟件開發(fā)不會有“一刀切”的方法。支持 PoE、同步需求和數(shù)據(jù)加密的選項可以幫助提供對基線硬件和軟件解決方案的無縫升級。其他場景可能有計算需求，這些需求可以通過交換機中的集成 CPU 或 FPGA 或獨立 CPU 實現(xiàn)。

　　為 IIoT 應用程序設計需要一個合理的遷移路徑，利用確定性網絡的新技術，同時承認工業(yè)網絡存在于一個系統(tǒng)環(huán)境中，該系統(tǒng)環(huán)境優(yōu)先考慮最大網絡正常運行時間而不是最新的網絡升級。在網絡中斷根本不可行的世界中，該行業(yè)必須擺脫舊的技術和協(xié)議以及第一代工業(yè)以太網網絡。