《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術與實踐》課件 4 工業(yè)總線與以太網(wǎng)基礎

第4章工業(yè)總線與以太網(wǎng)基礎01現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線產(chǎn)生與發(fā)展20世紀50年代之前，第一代氣動信號控制系統(tǒng)（PCS）20世紀50年代，第二代電動模擬信號控制系統(tǒng)20世紀70年代，第三代數(shù)字計算機集中式控制系統(tǒng)20世紀70年代中期以來，第四代集散式分布控制系統(tǒng)（DCS）第五代現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS），作為新一代控制系統(tǒng)主流總線介紹.PROFIBUS總線德國國家標準，是由Siemens公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出。由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA組成參考國際標準組織的開放系統(tǒng)互連(OSI)模型，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層兩部分形成了PROFIBUS-PA標準第一部分的子集，采用了應用層，作為標準的第二部分PROFIBUS-PA傳輸技術遵從IEC1158-2(H1)標準，可實現(xiàn)總線供電與本質安全防爆，是用于過程自動化的總線類型PROFIBUS-DP用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動化領域的應用PROFBUS-FMS為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等一般自動化。PROFIBUS與以太網(wǎng)相結合，產(chǎn)生了PROFINET技術，取代了PROFIBUS-FMS的位置。主流總線介紹CAN總線控制器局域網(wǎng)簡稱CAN總線最早由德國BOSCH公司提出，用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。CAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的OSI模型基礎上，其模型結構只有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。CAN的信號傳輸介質為雙絞線，傳輸速率最高可達1Mbit/s/40m；直接傳輸距離最遠可達10km/5kbit/s，掛接設備最多可達110個。主流總線介紹DeviceNet1994年美國美國羅克韋爾自動化公司推出了DeviceNet網(wǎng)絡，實現(xiàn)了低成本、高性能的工業(yè)設備的網(wǎng)絡互連DeviceNet是一個開放式網(wǎng)絡標準，規(guī)范和協(xié)議都是開放的，廠商將設備連接到系統(tǒng)時，無需購買硬件、軟件或許可權。DeviceNet價格低、效率高，特別適用于制造業(yè)、工業(yè)控制、電力系統(tǒng)等行業(yè)的自動化，適合于制造系統(tǒng)的信息化主流總線介紹ControlNet1997年美國羅克韋爾自動化（RockwellAutomation)公推出的ControlNet是一種新的面向控制層的實時性現(xiàn)場總線網(wǎng)絡。它提供如下功能：（1）在同一鏈路上同時支持I/O信息，控制器實時互鎖以及對等通信報文傳送和編程操作。（2）對于離散和連續(xù)過程控制應用場合，均具有確定性和可重復性。ControlNet協(xié)議的制定也參考了OSI模型，并參照了其中的第1、2、3、4、7層。與一般現(xiàn)場總線相比，ControlNet增加了網(wǎng)絡層和傳輸層，它既考慮了網(wǎng)絡的效率和實現(xiàn)的復雜程度，又兼顧到協(xié)議技術的向前兼容性和功能完整性。這對與異種網(wǎng)絡的互連和網(wǎng)絡的橋接功能提供了支持，更有利于大范圍的組網(wǎng)。ontrolNet廣泛應用于交通運輸、汽車制造、冶金、礦山、電力、食品、造紙、石油、化工、娛樂及很多其他領域的工廠自動化和過程自動化。主流總線介紹CC-Link1996年11月，三菱電機為主導的多家公司以“多廠家設備環(huán)境、高性能、省配線”的理念開發(fā)和公布了控制與通信鏈路系統(tǒng)（Control&CommunicationLink）現(xiàn)場總線，簡稱CC-Link。是唯一起源于亞洲地區(qū)的開放式總線系統(tǒng)，可以將控制和信息數(shù)據(jù)同時以10Mbit/s高速傳輸?shù)默F(xiàn)場網(wǎng)絡，具有性能卓越、應用廣泛、使用簡單、節(jié)省成本等突出優(yōu)點一般工業(yè)控制領域的網(wǎng)絡分為3或4個層次，分別是管理層、控制層和部件層。部件層也可以再細分為設備層和傳感器層。CC-Link是一個以設備層為主的網(wǎng)絡，同時也可以覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感器層。CC-Link是一個技術先進、性能卓越、應用廣泛、使用簡單、成本較低的開放式現(xiàn)場總線，其技術發(fā)展和應用有著廣闊的前景。02工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)基本概念工業(yè)以太網(wǎng)是按照工業(yè)控制的要求，發(fā)展適當?shù)膽脤雍陀脩魧訁f(xié)議，使以太網(wǎng)和TCP/IP技術真正能應用到控制層，延伸至現(xiàn)場層，而在信息層又盡可能采用IT行業(yè)一切有效而又最新的成果。因此，工業(yè)以太網(wǎng)與以太網(wǎng)在工業(yè)中的應用全然不是同一個概念當前工業(yè)自動化系統(tǒng)按照應用領域分為離散制造控制和連續(xù)過程控制，工業(yè)網(wǎng)絡分層為設備層、I/O層、控制層和監(jiān)控層。各種工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)總線的關系如圖4-1所示。工業(yè)以太網(wǎng)基本概念工業(yè)以太網(wǎng)基本概念每種工業(yè)以太網(wǎng)都有設備層現(xiàn)場總線與之互補，如表4-1所示。工業(yè)以太網(wǎng)互補的設備層現(xiàn)場總線EtherNet/IPDeviceNet,ControlNetPROFINETPROFIBUSDP,PROFIBUSPAFoundationFieldbusHSEFoundationFieldbusHIIDAIDA,ModbusTCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)主要標準IDA分布式自動化接口IDA（theInterfaceforDistributedAutomation）是一種完全建立在以太網(wǎng)基礎上的工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)范，它將基于Web的實時分布式自動化環(huán)境與集中的安全體系結構相結合，目標是創(chuàng)立一個基于TCP/IP的分散自動化的解決方案，涵蓋了自動化結構中的所有層次，包括設備層。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議IDA希望開發(fā)一個供機器人、運動控制和包裝用的功能塊庫。這些應用要求微秒級的同步。IDA采用RTI(RealTimeInnovations)公司的中間件NDDS（網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳送服務）來實現(xiàn)微秒級的實時性。IDA的協(xié)議棧如圖4-2所示工業(yè)以太網(wǎng)主要標準IDA分布式自動化接口IDA（theInterfaceforDistributedAutomation）是一種完全建立在以太網(wǎng)基礎上的工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)范，它將基于Web的實時分布式自動化環(huán)境與集中的安全體系結構相結合，目標是創(chuàng)立一個基于TCP/IP的分散自動化的解決方案，涵蓋了自動化結構中的所有層次，包括設備層。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議IDA希望開發(fā)一個供機器人、運動控制和包裝用的功能塊庫。這些應用要求微秒級的同步。IDA采用RTI(RealTimeInnovations)公司的中間件NDDS（網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳送服務）來實現(xiàn)微秒級的實時性。IDA的協(xié)議棧如圖4-2所示工業(yè)以太網(wǎng)主要標準Ethernet/IPEthernet/IP技術采用標準的以太網(wǎng)芯片，并采用有源星形拓撲結構，將一組工業(yè)設備點對點地連接到交換機，應用層則采用工業(yè)界廣泛應用的開放協(xié)議——控制和信息協(xié)議（CIP)。Ethernet/IP通信協(xié)議模型如圖4-3所示工業(yè)以太網(wǎng)主要標準PROFINETPROFINET是由PROFIBUS國際組織提出的基于實時以太網(wǎng)技術的自動化總線標準，它將企業(yè)信息管理層IT技術和工廠自動化相結合，同時又完全保留了PROFINET現(xiàn)有的開放性。PROFINET支持星形、總線型和環(huán)等拓撲結構。PROFINET提供了大量的工具幫助用戶方便地安裝工業(yè)電纜和耐用連接器以滿足電磁兼容（EMC）和溫度的要求。PROFINET框架內標準化，保證了不同制造商設備之間的兼容性。PROFINET的通信協(xié)議模型如圖4-4所示。工業(yè)以太網(wǎng)主要標準HSE1998年現(xiàn)場總線基金會開始起草HSE，2003年3月完成了HSE的第一版標準。HSE主要利用現(xiàn)有商用的以太網(wǎng)技術和TCP/IP協(xié)議族，通過錯時調度以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，達到工現(xiàn)場監(jiān)控任務的要求。HSE的協(xié)議體系結構如圖4-6所示。03以太網(wǎng)基礎以太網(wǎng)基礎OSI開放系統(tǒng)互連模型為了構建一個標準化的數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡世界，1979年國際標準化組織ISO開發(fā)了一個開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI）。OSI模型的目標是可以使兩個系統(tǒng)（如兩臺計算機）之間進行相互通信。OSI模型由七個功能層組成，也稱為7層模型，如圖4-7所示。系統(tǒng)A可以與系統(tǒng)B通信。這些系統(tǒng)可以在不同的網(wǎng)絡，如公共網(wǎng)絡和私有網(wǎng)絡。局域網(wǎng)局域網(wǎng)（LAN）是指計算機、工作站和外圍設備之間在非常有限的地理位置區(qū)域內進行的通信。局域網(wǎng)中連接的站點是對等的，不存在主站和副站。每個站點都可以建立、維護和斷開與另一個站點的連接。對于公共網(wǎng)絡，LAN采用稍微不同的方法實現(xiàn)OSI模型的底層要求。IEEE802已經(jīng)為局域網(wǎng)建立了一些標準，LAN模型與OSI模型關系如圖4-8所示。以太網(wǎng)以太網(wǎng)只是OSI模型中第1層和第2層的一種特殊形式。它不是一個完整的網(wǎng)絡協(xié)議，而是一個子網(wǎng)，其他協(xié)議（如TCP/IP套件）可以在該子網(wǎng)上工作。以太網(wǎng)最重要的功能是：填寫物理層：通過介質發(fā)送和接收串行位流；檢測碰撞。填寫數(shù)據(jù)鏈路層：MAC介質訪問控制子層：提供網(wǎng)絡訪問機制CSMA/CD；建立數(shù)據(jù)幀。LLC邏輯鏈路控制子層：確保數(shù)據(jù)可靠性；為更高級別的應用程序提供數(shù)據(jù)通道。物理層基于同軸電纜的以太網(wǎng)最初的以太網(wǎng)是圍繞總線拓撲的概念設計的。以太網(wǎng)的第一個實現(xiàn)是粗纜以太網(wǎng)，基于一根黃色粗同軸電纜，也稱為10Base5。10Base5以太網(wǎng)的特點：傳輸速率最高10Mbps基帶傳輸最大5x100=500米每段最多連接100個收發(fā)器物理層基于雙絞線的以太網(wǎng)基于雙絞線的以太網(wǎng)，站點與中央集線器之間最大長度為100米。每個站點都必須直接與集線器或交換機連接。雙絞線已經(jīng)從10Base-T（10Mbps）發(fā)展到100Base-T（100Mbps）和1000Base-T（1000Mbps）?？焖僖蕴W(wǎng)快速以太網(wǎng)采用非屏蔽雙絞線電纜，支持高達100Mbps的速度。電纜由8根電線組成，4對線組成。在10/100Base-T中僅使用4對中的2對：白橙色/橙色、白綠色/綠色。表4-2顯示了10/100Base-T的管腳配置。TD代表傳輸數(shù)據(jù)，RD代表接收數(shù)據(jù)。幀顏色功能1綠色和白色+TD2綠色-TD3橙色和白色+RD4藍色未使用5藍色和白色未使用6橙色-RD7棕色和白色未使用8棕色未使用物理層直通線也稱為直連電纜，是指雙絞線兩端線序相同。此雙絞線可用于連接站點與網(wǎng)絡交換設備，如：PC和集線器/交換機或PC和墻壁之間的連接。交叉線是雙絞線一端和直通電纜相同，另一端白橙色/橙色為插腳1和2，白綠色/綠色為插腳3和6。此雙絞線可用于PC到PC連接，集線器/交換機和另一個集線器/交換機之間的連接?？焖僖蕴W(wǎng)的特點是： 以100Mbps的速度傳輸數(shù)據(jù) 全雙工通信 支持無線以太網(wǎng)千兆以太網(wǎng)千兆位以太網(wǎng)的目標數(shù)據(jù)速率為1000Mbps。千兆以太網(wǎng)仍然使用125MHz的100Base-T/Cat5時鐘速率，為每個時鐘信號（00、01、10和11）編碼兩位，用四個電壓等級，達到1000Mbps的數(shù)據(jù)速率。此外，1000BASE-T也使用以太網(wǎng)電纜的四個數(shù)據(jù)對實現(xiàn)雙向發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。這種調制技術被稱為4D-PAM5，目前使用五種不同的電壓水平。第五個電壓電平用于誤差機制。物理層基于光纖的以太網(wǎng)為了使傳輸距離變得更長，光纖電纜是一個很好的選擇。第一種光纖的名稱為10BASE-F和100BASE-F。在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時，始終使用單獨的玻璃纖維。采用光纖的千兆以太網(wǎng)為全雙工模式，數(shù)據(jù)速率為1000Mbps。千兆以太網(wǎng)有兩種不同的類型。1000BASE-SX和1000BASE-LX。1000Base-SX在多模光纖上使用短波長光脈沖。1000Base-LX在多?；騿文９饫w上使用波長較長的光脈沖。物理層無線局域網(wǎng)基于熱點連接是利用無線接入點將無線局域網(wǎng)與有線局域網(wǎng)連接起來的配置。無線接入點作為所有無線數(shù)據(jù)傳輸路由的中心點。整個無線網(wǎng)絡具有唯一的SSID（服務集標識），并且還具有網(wǎng)絡名稱?；邳c對點的連接是指每個計算機設備都直接與另一個計算機設備通信。因此，實際上這種網(wǎng)絡結構是不可能實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)鏈路層以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀至少由46個實際數(shù)據(jù)字節(jié)和26個協(xié)議字節(jié)（開銷）組成。這個最小的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)是定義時隙時間所必需的。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式如圖4-9所示，數(shù)據(jù)幀各字段含義如下:數(shù)據(jù)鏈路層MAC地址每個站點都有一個以太網(wǎng)地址即每一個網(wǎng)卡獨有的物理地址——MAC地址（媒體訪問控制地址）。每一個網(wǎng)卡制造商都會給每一張網(wǎng)卡一個全球唯一的地址，該地址存儲在網(wǎng)卡只讀存儲器中。MAC地址結構如圖4-11所示數(shù)據(jù)鏈路層CSMA/CD以太網(wǎng)在數(shù)據(jù)鏈路層MAC子層使用IEEE802.3載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測CSMA/CD協(xié)議。該協(xié)議包括3部分內容：載波監(jiān)聽、多路訪問、沖突檢測數(shù)據(jù)鏈路層CSMA/CA有線以太網(wǎng)的CSMA/CD技術不能應用于無線以太網(wǎng)。無線以太網(wǎng)采用的半雙工無線電，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，無法檢查是否發(fā)生碰撞。為了解決這一問題，我們采用了另一種技術，即CSMA/CA，它不檢測碰撞，而是避免碰撞，CA代表碰撞避免。相關設備集線器（Hub）集線器實際上是一個多接口的中繼器。集線器在OSI模型的物理層上工作：它將傳入信號重新生成到所有其他端口，如圖4-16所示，所有通過集線器相互連接的網(wǎng)絡都是沖突域。相關設備交換機（Switch）網(wǎng)橋可以像中繼器一樣傳輸數(shù)據(jù)，不同的是數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)橋從一個鏈路傳輸?shù)搅硪粋€鏈路之前，網(wǎng)橋檢查MAC地址，在此基礎上判斷是否傳輸?shù)搅硪粋€鏈路，如圖4-21所示，由此可見網(wǎng)橋是工作在數(shù)據(jù)鏈路層的設備。一個網(wǎng)橋配備兩個以上的網(wǎng)絡端口，我們叫它“交換機”。虛擬局域網(wǎng)VLANVLAN類型VLAN可以分為兩種類型：靜態(tài)VLAN和動態(tài)VLAN。靜態(tài)VLAN基于端口，根據(jù)用戶連接到的交換機端口，判斷屬于哪一個VLAN。優(yōu)點是易于配置；所有操作在交換機上完成，用戶幾乎不需要操作。缺點是如果用戶將電腦連接到錯誤的端口，則管理員必須重新配置；如果第二個交換機連接到屬于某個VLAN的端口，則連接到該交換機的所有計算機都將自動屬于該VLAN。動態(tài)VLAN不是基于交換機的端口，而是基于用戶的地址或使用的協(xié)議。優(yōu)點是每個人都可以將計算機連接到任何端口，并且仍然是正確VLAN的一部分。缺點是這種VLAN類型的成本較高，因為它需要特殊的硬件。虛擬局域網(wǎng)VLANIEEE802.1Q標記幀IEEE802.1Q在以太網(wǎng)幀中增加了4個字節(jié)的802.1Q標簽，如圖4-18所示，包含了2個字節(jié)的標簽協(xié)議標識和2個字節(jié)的標簽控制信息。標簽字節(jié)字段含義如下：虛擬局域網(wǎng)VLAN端口聚合TrunkTRUNK稱為端口聚合是在交換機和網(wǎng)絡設備之間比較經(jīng)濟的增加帶寬的方法。TRUNK的主要功能就是將多個物理端口（一般為2~8個）綁定為一個邏輯的通道，使其工作起來就像一個通道一樣。將多個物理鏈路捆綁在一起后，不但提升了整個網(wǎng)絡的帶寬，而且數(shù)據(jù)還可以同時通過被綁定的多個物理鏈路傳輸，而且具有鏈路冗余的作用，在網(wǎng)絡出現(xiàn)故障或其他原因斷開其中一條或多條鏈路時，剩下的鏈路還可以工作。網(wǎng)絡冗余網(wǎng)絡冗余是指集成硬件和軟件，以確保在網(wǎng)絡某一點故障時，保持最佳的可用性。通信系統(tǒng)網(wǎng)絡是每一個現(xiàn)代自動化項目的核心。為了處理不同網(wǎng)絡中的故障，可以在網(wǎng)絡設備中集成不同的協(xié)議。生成樹協(xié)議生成樹協(xié)議（STP）是IEEE802.1d中描述的開放協(xié)議。它是一個OSI第2層協(xié)議，保證了無閉環(huán)局域網(wǎng)。它基于RadiaPerlman開發(fā)的算法。生成樹協(xié)議使網(wǎng)絡允許冗余鏈路，如果鏈路出于任何原因損壞，則會自動恢復并提供非閉環(huán)的備份路徑。網(wǎng)絡冗余介質冗余協(xié)議MRP是Profinet標準的一部分。在MRP的情況下，環(huán)狀網(wǎng)絡通過阻塞環(huán)中的一個端口以獲得一個線狀結構。在發(fā)生網(wǎng)絡錯誤的情況下，網(wǎng)絡分成兩條獨立的線路，當被阻塞的端口被釋放時，這些線路再次連接在一起?；謴蜁r間在100毫秒范圍內。并行冗余協(xié)議與上述技術相比，如果出現(xiàn)網(wǎng)絡錯誤，PRP不會計劃更改活動拓撲。該協(xié)議在兩個并行的網(wǎng)絡上運行。每個數(shù)據(jù)幀都通過兩個網(wǎng)絡發(fā)送。接收節(jié)點處理首先到達的消息并拒絕后到達的復制消息。PRP使雙網(wǎng)絡，對高層協(xié)議是不可見的。HSR冗余則是通過環(huán)網(wǎng)結構實現(xiàn)的平行冗余的技術。04TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)基礎TCP/IP協(xié)議傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡控制協(xié)議（TCP/IP）是一組工業(yè)標準協(xié)議，設計用于在由不同網(wǎng)段組成的大型網(wǎng)絡上進行通信，這些網(wǎng)段由路由器連接。TCP/IP協(xié)議族可以完美地定位在OSI模型中。一個四層簡化模型主要用于表示TCP/IP協(xié)議族稱為TCP/IP模型，如圖4-23所示。這個模型的核心是網(wǎng)絡層和傳輸層，應用層描述所有使用TCP/IP協(xié)議的應用協(xié)議。例如，HTTP協(xié)議屬于此協(xié)議。網(wǎng)絡控制協(xié)議網(wǎng)絡控制協(xié)議（TheInternetProtocol，簡稱IP協(xié)議），用于OSI模型的第3層網(wǎng)絡層，這一層負責在不同的網(wǎng)絡上表述和傳輸信息。網(wǎng)絡控制協(xié)議（IP）要實現(xiàn)在不同網(wǎng)絡上傳輸信息就需要統(tǒng)一的地址：IP地址。IP地址每個網(wǎng)絡將獲得一個唯一的網(wǎng)絡地址。每個網(wǎng)絡中的設備也應該獲得唯一的地址號。統(tǒng)一尋址是基于這一原則。此地址在IP層上定義，稱為IP地址。IP地址由32位4字節(jié)組成，用4個小數(shù)點分隔。每個網(wǎng)絡都有一個名稱（網(wǎng)絡ID），每個網(wǎng)絡設備都有一個唯一的網(wǎng)絡號碼（主機ID）。網(wǎng)絡ID和主機ID一起構成IP地址，網(wǎng)絡ID是主機ID等于零的IP地址。如圖4-22所示，IP地址為20的主機，所在網(wǎng)絡ID為，主機ID為220網(wǎng)絡控制協(xié)議IP地址的類別網(wǎng)絡控制協(xié)議私有網(wǎng)絡的IP地址公共網(wǎng)絡和私有網(wǎng)絡之間有區(qū)別。在互聯(lián)網(wǎng)上（整個公共網(wǎng)絡），每個IP地址都必須是唯一的。公司網(wǎng)絡通過路由器與因特網(wǎng)相連。為了避免私有網(wǎng)絡和公共網(wǎng)絡之間的沖突，在每個類中定義了一系列未在Internet上使用的IP地址，如表4-4。所示企業(yè)網(wǎng)絡最好使用這些保留地址。網(wǎng)絡控制協(xié)議特殊的IP地址在網(wǎng)絡上必須有發(fā)送廣播消息地址。將主機ID的所有位全部設置為1，就是某個段的IP廣播地址。例如，IP地址55是網(wǎng)絡廣播地址，網(wǎng)絡地址是。網(wǎng)絡控制協(xié)議子網(wǎng)掩碼網(wǎng)絡地址通過幾個位進行擴展，以便在一個類中創(chuàng)建多個子網(wǎng)。使用子網(wǎng)時，IP地址不變，但是對于路由器來說，就要知道網(wǎng)絡地址是有多少為組成。路由器為此使用子網(wǎng)掩碼,通過子網(wǎng)掩碼從IP地址中得到網(wǎng)絡地址。如何設置子網(wǎng)掩碼呢？表示網(wǎng)絡部分的位的值為1，表示主機部分的位的值為0，然后進行十進制轉換。比如，一個C類地址擴展四個網(wǎng)絡位，子網(wǎng)掩碼為：網(wǎng)絡控制協(xié)議子網(wǎng)化網(wǎng)絡控制協(xié)議IP包格式