《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)通信的實例與仿真 -p1

教材第一章：工業(yè)控制系統(tǒng)通信及專有協(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1.2工業(yè)以太網(wǎng)以太網(wǎng)技術典型的工業(yè)以太網(wǎng)1.3現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線結構與特點幾種有影響力的現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線的應用領域1.4工業(yè)通信中主要的通信協(xié)議與總線實例ModbusProfibusCAN總線DNP3規(guī)范OPC規(guī)范第二節(jié)：工業(yè)數(shù)據(jù)通信實例與仿真介紹以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)的相關協(xié)議介紹工控系統(tǒng)主要總線類型介紹工控系統(tǒng)通信協(xié)議仿真網(wǎng)絡（例1：Point-to-Point

例2：Busnetwork（略））以太網(wǎng)IEEE802.3標準制定以太網(wǎng)(Ethernet)技術標準。以太網(wǎng)幾乎使用硬件實現(xiàn)的。物理層定義了傳輸介質、連接器、電信號類型和網(wǎng)絡拓撲，用于完成數(shù)據(jù)的編譯碼和信道訪問。數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了介質訪問協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷?，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)拆裝和鏈路的管理，保證數(shù)據(jù)幀在鏈路上無差錯地可靠傳輸。以太網(wǎng)采用星型或總線型結構，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（細纜）、10BASE-5（粗纜），在高速傳輸和有干擾的場合，采用100BASE-F（光纖）。以太網(wǎng)線纜的類型以及系統(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：介質連接單元（MAU）介質相關接口（MDI）是網(wǎng)絡端口。物理介質連接（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（PLS）子層（型號特性、連接器、線纜長度），監(jiān)視傳輸介質媒體訪問控制（MAC），檢查載波偵聽信號，發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸。解決信道爭用的問題。邏輯鏈路控制（LLC），把傳輸?shù)臄?shù)據(jù)組成幀，解決差錯控制和流量控制。設備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控制（MAC）子層和邏輯鏈路控制（LLC）子層。MAC子層的任務是解決網(wǎng)絡上的所有節(jié)點共享一個信道所帶來的信道爭用問題（例如，CSMA/CD,令牌環(huán)）；LLC子層的任務是把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)組成幀，并且解決差錯控制和流量控制的問題，從而在不可靠的物理鏈路上實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)幀開始有7個字節(jié)的同步碼（Preamble）7*0xAA，和1個字節(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)絡的需要與發(fā)展多智能儀器儀表及其他自動化設備的大量使用數(shù)字信號大規(guī)模代替模擬信號現(xiàn)場總線的種類繁多，互不兼容工業(yè)生產及環(huán)境對工業(yè)數(shù)據(jù)通信的要求材質的選用、產品的強度、適用性、實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性工業(yè)控制網(wǎng)絡不僅需要數(shù)據(jù)通信支持，而且需要網(wǎng)絡節(jié)點協(xié)調完成自控功能任務和系統(tǒng)計算目前，工業(yè)以太網(wǎng)主要在控制級和監(jiān)控級。工業(yè)以太網(wǎng)的功能要求通信的實時性和確定性實時性（real-time）：響應同步性，5~10ms，提出實時以太網(wǎng)，光纖的應用。確定性：負載在規(guī)定時間內獲得數(shù)據(jù)的機會。提高通信速率網(wǎng)段劃分，增加數(shù)據(jù)存儲、轉發(fā)和過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)絡的可用性和彈性可靠性，網(wǎng)絡作為工控的基礎設施，冗余網(wǎng)絡可恢復性：自動恢復、故障隔離，鏈路冗余可維護性：故障定位和自動報警網(wǎng)絡安全性：將三層網(wǎng)絡（信息、控制、設備）合為一體。網(wǎng)絡隔離環(huán)境適應性：工業(yè)環(huán)境，例如高溫、高濕、噪音、輻射等工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的影響。傳統(tǒng)IT系統(tǒng)？典型工業(yè)以太網(wǎng)IT領域，典型的應用層協(xié)議包括HTTP、FTP、SNMP等工業(yè)控制系統(tǒng)沒有形成統(tǒng)一的應用層協(xié)議，影響力較大的有，Ethernet/IP實時以太網(wǎng)、ProfiNet、ModBus等。典型工業(yè)以太網(wǎng)-Ethernet/IP實時以太網(wǎng)采用以太網(wǎng)通信芯片以及物理介質在TCP/IP之上附加CIP（CommonIndustrialProtocol)實時擴展功能，在應用層進行實時數(shù)據(jù)交換和運行實時應用。Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)優(yōu)點：系統(tǒng)兼容性和互操作性好，資源共享能力強，可以很容易的實現(xiàn)控制現(xiàn)場的數(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、傳輸速率高易與Internet連接，低成本、易組網(wǎng)，與計算機、服務器的接口十分方便，受到了廣泛的技術支持。基于商業(yè)以太網(wǎng)開發(fā)的各種以太網(wǎng)報文偵聽和流量優(yōu)化控制軟件，甚至可以不加修改地應用到工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)中。目前EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)的應用主要是在自動化領域的信息層和控制層。典型工業(yè)以太網(wǎng)-Ethernet/IP實時以太網(wǎng)應用層和用戶層的合適是控制及信息協(xié)議（CIP）。作為一種工業(yè)應用開發(fā)的應用層協(xié)議，CIP用以支持程序、輸入輸出、設備、網(wǎng)絡、路由，被DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP等使用。CIP協(xié)議最重要的特點是可以傳輸多種類型的數(shù)據(jù)。工業(yè)應用中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型有I/O、互鎖、配置、故障診斷、程序上傳和下載。這些不同類型的數(shù)據(jù)對傳輸服務質量的要求是不同的，例如，數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性、單位時間內有通信行為的節(jié)點所占的比例或傳輸實時性。CIP根據(jù)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對傳輸服務質量要求的不同，把報文分為兩種：顯式報文和隱式報文。顯式報文用于傳輸對時間沒有苛求的數(shù)據(jù)，例如，程序的上傳和下載、系統(tǒng)維護、故障診斷、設備配置等。隱式報文用于傳輸對時間有苛求的數(shù)據(jù)，例如，I/O、實時互鎖等。在網(wǎng)絡底層協(xié)議的支持下，CIP用不同的方式傳輸不同類型的報文，以滿足對傳輸服務質量的不同要求。CIP是面向連接的，在通信開始之前建立起連接，獲取位移的連接標識符（ConnectionID）。如果連接涉及到雙向的數(shù)據(jù)傳輸，就需要兩個CID。CID的定義格式是與具體網(wǎng)絡有關的。另外，CIP使用生產者和消費者的形式，允許網(wǎng)絡上所有節(jié)點同時從一個數(shù)據(jù)源存取同一數(shù)據(jù)，因此是數(shù)據(jù)傳輸達到按需的最優(yōu)化，避免了帶寬浪費，提高了系統(tǒng)通信效率，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。典型工業(yè)以太網(wǎng)-ProfiNetProfiNet實時工業(yè)以太網(wǎng)是由ProfibusInternational（PI)組織提出的基于以太網(wǎng)的自動化標準。它基于工業(yè)以太網(wǎng)技術，使用TCP/IP和IT標準，是一種實時以太網(wǎng)技術，同時無縫地集成現(xiàn)有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。作為完整、先進的工業(yè)通信解決方案，ProfiNet包括8個主要功能模塊，分別為實時通信、分布式現(xiàn)場設備、運動控制、分布式智能、網(wǎng)絡安裝、IT標準和網(wǎng)絡安全、故障安全和過程自動化。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標準，但采取了改進措施；網(wǎng)絡層和傳輸層采用了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都不能滿足過程數(shù)據(jù)循環(huán)更新時間小于10ms的要求，對以太網(wǎng)中影響實時性和確定性的因素也必須改進才能滿足工業(yè)自動化領域的要求。從圖中可以看出，在ProfiNet設備的一個通信循環(huán)周期內，ProfiNet提供一個標準通信通道和兩類實時通信通道。標準通道是使用TCP/IP協(xié)議的非實時通信通道，主要用于設備參數(shù)化、組態(tài)和讀取診斷數(shù)據(jù)。實時通道RT是軟實時SRT（SoftwareRT)方案，主要用于過程數(shù)據(jù)的高性能循環(huán)傳輸、事件控制的信號與報警信號等。為優(yōu)化通信功能，ProfiNet根據(jù)IEEE802.1p定義了報文的優(yōu)先級，最多可用7級。實時通道IRT采用了IRT（IsochronousReal-Time)等時同步實時的ASIC芯片解決方案，以進一步縮短通信棧軟件的處理時間，特別適用于高性能傳輸、