工業(yè)以太網在實際應用中安全對策解決方案
加入技術交流群
一、工業(yè)以太網的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
一般來講，控制系統(tǒng)網絡可分為3層：信息層、控制層和設備層(傳感/執(zhí)行層)。第三代DCS在信息層大都采用以太網，而在控制層和設備層一般采用不同的現(xiàn)場總線或其他專用網絡。目前，以太網已經滲透到了控制層和設備層，很多的PLC和遠程I/O供應商都能提供支持TCP/IP以太網接口的產品。以太網之所以在自動化領域得到廣泛應用，主要因為：低成本的刺激和速度的提高；現(xiàn)代企業(yè)對實時生產信息有越來越多的要求；以太網的開放性和兼容性。
以太網原有的缺點則由于技術的不斷進步而獲得大幅改進和完善。從以太網的發(fā)展進程來看，以太網有兩種：共享以太網(Shared Ethernet)和交換以太網(Switched Ethernet)。早期使用的共享以太網是多節(jié)點共享同一個傳輸媒體，節(jié)點間通信采用廣播方式，易發(fā)生沖突，使網絡通信具有不確定性，不能用于強實時性場合?，F(xiàn)在常用的交換以太網克服了這一缺點，以太網的交換機(Switch)是數(shù)據(jù)鏈路層(ISO/OSI參考模型第二層)的多端口網橋，也可以說是智能分配器。交換機將其管理的網絡以星型拓撲結構劃分為許多物理上互相隔離而邏輯上互相聯(lián)系的節(jié)點，每一節(jié)點單獨與交換機建立物理連接，在通信的時候交換機會在發(fā)送端口與接受端口間建立一個獨占的全雙工通道，它具有以太網的全部帶寬并避免沖突。
交換以太網在獲得確定性的同時，傳輸速度也有極大的提高。千兆以太網已普及，10Gbit/s的交換以太網正在開發(fā)。當以太網用于信息技術時，應用層含有 HTTP(超級文本傳輸協(xié)議)、FTP(文件傳輸協(xié)議)、SMTP(簡單電子郵件傳送協(xié)議)和Telnet(遠程登錄)。這些基于TCP/IP的協(xié)議簇已經成為工業(yè)界事實上的網絡標準，在不同廠商的不同網絡系統(tǒng)互聯(lián)方面起著關鍵作用。但當以太網用于工業(yè)控制時，體現(xiàn)在應用層的是實時通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對象以及工程模型的應用協(xié)議。工業(yè)以太網和Internet技術的發(fā)展將完全改變傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)的網絡架構。工業(yè)以太網已經從信息層向下延伸到控制層和設備層，采用以太網架構以后，控制器的位置已突破傳統(tǒng)網絡架構的限制，既可以位于現(xiàn)場，也可以位于中央控制室。
目前控制器甚至遠程I/O支持以太網的功能越來越強，在有些控制器和遠程I/O模塊中已經集成了Web服務器，從而允許信息層的用戶也可以和控制層的用戶一樣直接獲取控制器和遠程I/O模塊中的當前狀態(tài)值。采用以太網架構和開放的軟件系統(tǒng)的制造企業(yè)也被稱為“透明工廠”。此外，通過Internet可以實現(xiàn)對工業(yè)生產過程的實時遠程監(jiān)控，將實時生產數(shù)據(jù)與ERP系統(tǒng)以及實時的用戶需求結合起來，使生產不只是面向訂單的生產，而是直接面向機會和市場的“電子制造”，從而使企業(yè)能夠適應經濟全球化的要求。
二、工業(yè)以太網在應用中的安全隱患
某大型石化項目成功實施的一套完整的工業(yè)以太網DCS網絡結構及其與上層信息管理網接口界面圖。眾所周知，一套控制系統(tǒng)的安全隱患除了自身的影響外，就是來自外部界面的威脅。從圖1中可以看出，影響工業(yè)以太網 DCS網絡安全的隱患主要有：以太網運行速度及負荷、網絡連接和服務器終端等設備的可靠性；工業(yè)以太網與上層信息管理網接口、工業(yè)以太網與第三方OPC接口子系統(tǒng)之間的界面；操作站、工程師站和服務器之間的界面。
2.1 網絡自身問題帶來的安全隱患
工業(yè)以太網主要由網絡終端設備(服務器、工程師站、操作站及控制器等)和網絡連接設備(交換機、防火墻、路由器等)組成，但影響安全的因素主要是網速和設備的可靠性。
2.1.1 網速對安全的影響
由于工業(yè)以太網的介質訪問控制(MAC)層協(xié)議采用帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問(CSMA/CD)方式，當網絡負荷較重時，網絡的確定性不能滿足工業(yè)控制的實時性要求。有資料顯示當一個網絡的負荷低于36%時，基本上不會發(fā)生沖突，在負荷為10%以下時，10M以太網沖突幾率為每5年一次。100M以太網沖突幾率為每15年一次。但超過36%后隨著負荷的增加發(fā)生沖突的幾率是以幾何級數(shù)的速度增加的。如果正常情況下的網速太高，在生產裝置事故狀態(tài)下則由于訪問量的急劇增加而大幅提高工業(yè)以太網的負荷，從而影響網絡數(shù)據(jù)傳輸速度和裝置事故的及時處理和安全。
評論