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北京軟件開發(fā)公司華盛恒輝物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)以太網(wǎng)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵嗎?
預(yù)計到 2020 年將有 340 億臺設(shè)備連接到物聯(lián)網(wǎng) (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(wǎng)對提高效率(例如降低運(yùn)營成本和提高生產(chǎn)力)的承諾，“智能對象”之間的嵌入式機(jī)器對機(jī)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(fèi)物聯(lián)網(wǎng)不同，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 對數(shù)據(jù)完整性、可靠性和安全性的要求要嚴(yán)格得多。中斷的威脅給整個數(shù)字網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大的安全風(fēng)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(yuǎn)程管理功能的高性能、低延遲網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)已經(jīng)成為企業(yè)、數(shù)據(jù)中心和許多服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)，因為它具有標(biāo)準(zhǔn)化、多功能性、高性能和低成本等優(yōu)勢。
然而，今天的 IIoT 網(wǎng)絡(luò)主要使用專門的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和各種傳統(tǒng)設(shè)備的安裝基礎(chǔ)。這使得全 IP 以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)代化變得更加復(fù)雜。這些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的升級策略必須在工業(yè)設(shè)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(wǎng)提供的標(biāo)準(zhǔn)化和低成本網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)遷移。應(yīng)對這些挑戰(zhàn)需要結(jié)合使用以太網(wǎng)交換解決方案、可編程設(shè)備、高精度定時、以太網(wǎng)供電 (PoE) 和應(yīng)用優(yōu)化軟件等技術(shù)。
工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全
當(dāng)今工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的安全性通常以通過防火墻與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)和 Internet 隔離為前提。更廣泛的保護(hù)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的嘗試通常會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)停機(jī)、代價高昂的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓幕騼烧呒娑兄瑥亩＜肮S生產(chǎn)力、收入，有時甚至?xí)＜鞍踩５牵瑑H僅因為我們認(rèn)為某個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與 Internet 隔離而假設(shè)它受到保護(hù)是一種誤解。
正如最近的網(wǎng)絡(luò)攻擊所表明的那樣，現(xiàn)實情況是將現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)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(yīng)鏈、采用新技術(shù)或發(fā)展以應(yīng)對新的競爭威脅和機(jī)遇，孤立的網(wǎng)絡(luò)也難以擴(kuò)展和重新配置。
IIoT 網(wǎng)絡(luò)安全必須采取多層方法來保護(hù)數(shù)據(jù)平面、管理(網(wǎng)絡(luò)和元素)和控制(協(xié)議)平面。這三個都需要保護(hù)，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(quán)和計費(fèi) (AAA) 以及數(shù)據(jù)完整性。
全網(wǎng)加密是保證所有網(wǎng)絡(luò)流量安全的另一層。在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(hù)以太網(wǎng)物理端口和 VLAN。為了進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)密性，IEEE 802.1AEbn 包括某些政府機(jī)構(gòu)現(xiàn)在要求的強(qiáng)大的 256 位加密。
雖然僅靠加密不足以保護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全，但在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和端點中使用強(qiáng)大的 256 位加密(如 MACsec)可以為基于以太網(wǎng)的 IIoT 網(wǎng)絡(luò)所需的身份驗證、數(shù)據(jù)完整性和用戶機(jī)密性提供一種手段。此外，利用具有內(nèi)置安全功能的 FPGA 可用于在系統(tǒng)中提供信任根。這些設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)邊緣獲取數(shù)據(jù)，使用大數(shù)據(jù)分析和云計算來擴(kuò)展處理并實際利用所有這些數(shù)據(jù)。互聯(lián)網(wǎng)連接是必不可少的。這就是與分布式網(wǎng)絡(luò)硬件密切合作的集中式安全編排方法可以提供保護(hù) IIoT 網(wǎng)絡(luò)的有效方法的地方。
歸根結(jié)底，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須采用多層安全方法，以確保網(wǎng)絡(luò)的可靠性和正常運(yùn)行時間，同時不限制操作。
決定論
在考慮以太網(wǎng)中的確定性性能和網(wǎng)絡(luò)可靠性時，期望特定功能在精確的時間范圍內(nèi)發(fā)生。當(dāng)每個網(wǎng)絡(luò)元素都具有時間感知能力并且可以識別它是否“準(zhǔn)時”傳送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包時，這是可能的。
但只是解決方案的一部分。當(dāng)今存在使用 IEEE 1588v2 在以太網(wǎng)中同步和分配精確“時間”的機(jī)制;然而，最新的時間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 標(biāo)準(zhǔn)為系統(tǒng)開發(fā)人員帶來了一種非常面向時間的流量調(diào)度方式。
TSN 標(biāo)準(zhǔn)由 IEEE 802 小組開發(fā)，擴(kuò)展了以太網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)：
時間敏感應(yīng)用的定時和同步 (IEEE 802.1ASbt)
計劃流量的增強(qiáng)功能 (IEEE 802.1Qbv)
幀搶占 (IEEE 802.1Qbu)
冗余網(wǎng)絡(luò)的路徑控制和預(yù)留 (IEEE 802.1Qca)
流預(yù)留協(xié)議 (SRP) 增強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)中使用的兩步過程相比，這減少了傳送網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點獲得準(zhǔn)確的定時。
新的 TSN 功能將為以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)提供 IIoT 應(yīng)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(wǎng)作為其主要骨干網(wǎng)的 IIoT 網(wǎng)絡(luò)的最后一個障礙，推動關(guān)鍵和非關(guān)鍵控制和數(shù)據(jù)流量融合到單個網(wǎng)絡(luò)上。
雖然帶有 TSN 的以太網(wǎng)最終將成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)部署的合理確定性主干，但至少在可預(yù)見的未來，專有接口將繼續(xù)存在。能夠在以太網(wǎng)、IEEE 1588、TSN 和專用工業(yè)協(xié)議之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換同時保持確定性行為的 FPGA/SoC 將是至關(guān)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(wǎng)電機(jī)控制應(yīng)用將受益于 FPGA 架構(gòu)的確定性特性。FPGA 可以以盡可能低的延遲實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換和電機(jī)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(yuǎn)程節(jié)點同步執(zhí)行確定性電機(jī)控制。
網(wǎng)絡(luò)遷移
IIoT 網(wǎng)絡(luò)最終遷移到 IP/以太網(wǎng)是給定的，但重要的是要認(rèn)識到這種轉(zhuǎn)變所特有的兩個主要因素：
專為局域網(wǎng) (LAN) 設(shè)計的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、組件和系統(tǒng)并不適合 IIoT 網(wǎng)絡(luò)。
IIoT 網(wǎng)絡(luò)遷移需要采取平衡措施來支持現(xiàn)有的“非標(biāo)準(zhǔn)”協(xié)議，并使網(wǎng)絡(luò)做好準(zhǔn)備以利用早期創(chuàng)新。
因此，當(dāng)面對典型的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)時——由使用多種專用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的遺留設(shè)備的異構(gòu)安裝基礎(chǔ)組成——軟件開發(fā)人員應(yīng)該尋找?guī)讉€關(guān)鍵元素來簡化他們的網(wǎng)絡(luò)向以太網(wǎng)的遷移：
以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線接口的多協(xié)議支持，以確保大規(guī)模異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的互操作性和可擴(kuò)展性
優(yōu)化的以太網(wǎng)交換機(jī)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(dá) 95 W 的以太網(wǎng)供電 (PoE) 選項可為遠(yuǎn)程設(shè)備安全供電，簡化部署
通過結(jié)合以下硬件和軟件開發(fā)的實用組合，上述所有內(nèi)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(wǎng)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(shè)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(jī)中的集成 CPU 或 FPGA 或獨(dú)立 CPU 實現(xiàn)。
為 IIoT 應(yīng)用程序設(shè)計需要一個合理的遷移路徑，利用確定性網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)，同時承認(rèn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時間而不是最新的網(wǎng)絡(luò)升級。在網(wǎng)絡(luò)中斷根本不可行的世界中，該行業(yè)必須擺脫舊的技術(shù)和協(xié)議以及第一代工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。
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