淺析工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用

龐明輝 易杜軍

摘 要 相對(duì)商用以太網(wǎng)來(lái)說(shuō)，工業(yè)以太網(wǎng)其本身具備更強(qiáng)的安全性、抗干擾性、適用性以及實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，對(duì)于整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是非常重要的現(xiàn)代化技術(shù)。本文就對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了分析和探討。

關(guān)鍵詞 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)；應(yīng)用；分析思考

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)源自于以太網(wǎng)技術(shù)，但是其本身和普通的以太網(wǎng)技術(shù)又存在著很大的差異和區(qū)別。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)本身進(jìn)行了適應(yīng)性方面的調(diào)整，同時(shí)結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)安全性和穩(wěn)定性方面的需求，增加了相應(yīng)的控制應(yīng)用功能，提出了符合特定工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)所需求的相應(yīng)的解決方案。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)高效性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟(jì)性、智能性、擴(kuò)展性等多方面的需求，可以真正延伸到實(shí)際企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制層面，并結(jié)合其技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)，給予實(shí)際企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的全方位控制和管理，是一種非常重要的技術(shù)手段。

1 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)分析

第一，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用范圍。以太網(wǎng)技術(shù)本身作為重要的基礎(chǔ)性計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其本身能夠兼容多種不同的編程語(yǔ)言。例如，常見(jiàn)的JAVA、C++等編程語(yǔ)言都支持以太網(wǎng)方面的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

第二，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有良好的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性。相對(duì)于以往傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡的基礎(chǔ)設(shè)施方面的投入，以太網(wǎng)的網(wǎng)卡成本方面具有十分顯著的優(yōu)勢(shì)。在當(dāng)前以太網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，整體以太網(wǎng)技術(shù)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用方面已經(jīng)十分成熟。在具體技術(shù)開(kāi)發(fā)方面，有著很多現(xiàn)有的資源和設(shè)計(jì)案例進(jìn)行應(yīng)用，這也進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和推廣成本，同時(shí)也讓后續(xù)培訓(xùn)工作的開(kāi)展變得更加有效率?？梢哉f(shuō)，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、成本低廉、應(yīng)用效率高、過(guò)渡短、方案成熟，這是工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)特征。

第三，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有較高的通信速率。相對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)說(shuō)，工業(yè)以太網(wǎng)的通信速率較高，1Gb/s的技術(shù)應(yīng)用也變得十分成熟。在當(dāng)前不斷增長(zhǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)性能吞吐需求的前提下，這種速率上的優(yōu)勢(shì)十分明顯，其能夠更好地滿足當(dāng)前的帶寬標(biāo)準(zhǔn)，是新時(shí)期現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)工程的重要發(fā)展方向。相對(duì)上也控制網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部不同節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)了相對(duì)較少，但是其對(duì)于傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性方面要求很高。以太網(wǎng)技術(shù)本身的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)，這也讓整個(gè)通信過(guò)程的實(shí)時(shí)性需求得到了更好的滿足。良好的通信速率標(biāo)準(zhǔn)，可以進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)，從而最大限度規(guī)避忘了碰撞的概率，保障工業(yè)生產(chǎn)的安全性與可靠性。

第四，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有良好的共享能力。隨著當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟化，整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)體系變得更加成熟，任何一個(gè)接入到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的計(jì)算機(jī)，都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)的瀏覽和調(diào)用，這對(duì)于遠(yuǎn)程管控應(yīng)用來(lái)說(shuō)具有良好的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)這也超越了以往現(xiàn)場(chǎng)總線管理模式的便利性，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)管理的重要基礎(chǔ)性依據(jù)。

第五，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有良好的發(fā)展空間。通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)本身會(huì)具備一個(gè)更加廣闊的發(fā)展空間和前景。在后續(xù)技術(shù)改造和升級(jí)的過(guò)程中，以太網(wǎng)技術(shù)能夠?yàn)槠涮峁┮粋€(gè)良好的基礎(chǔ)平臺(tái)，這種擴(kuò)展性方面的優(yōu)勢(shì)相比于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)來(lái)說(shuō)是十分明顯的。與此同時(shí)，在當(dāng)前人工智能等相關(guān)技術(shù)發(fā)展的環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量和效率本身的標(biāo)準(zhǔn)更高，很多新通信協(xié)議的應(yīng)用，這也需要工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)給予相應(yīng)的支持[1]。

2 以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的幾方面思考

以太網(wǎng)技術(shù)本身具有較強(qiáng)的先進(jìn)性和專(zhuān)業(yè)性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的全方位控制。在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展環(huán)境下，以太網(wǎng)能夠?qū)Α耙痪W(wǎng)到底”的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行更好的展現(xiàn)，其也必將成為未來(lái)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的主流選擇。本文就從工業(yè)生產(chǎn)的安全性方面的角度，對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用方面的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了分析和探討。

2.1 認(rèn)證加密方面的支持

以往傳統(tǒng)的認(rèn)證，本身僅僅針對(duì)業(yè)務(wù)層和網(wǎng)絡(luò)層展開(kāi)相互獨(dú)立的分層認(rèn)證和身份鑒別的方式，這種方式適用于以往的工業(yè)控制系統(tǒng)當(dāng)中，而對(duì)于當(dāng)前新環(huán)境下工業(yè)生產(chǎn)安全性與可靠性需求的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)則還存在一定的提升空間?，F(xiàn)階段以太網(wǎng)環(huán)境下，工業(yè)設(shè)備本身的用途相對(duì)特殊，同時(shí)其本身的網(wǎng)絡(luò)通信行為和業(yè)務(wù)應(yīng)用行為有著明顯的特定性的特點(diǎn)，整體認(rèn)證應(yīng)該從更加全面的角度來(lái)進(jìn)行開(kāi)展和實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這方面的情況，認(rèn)證中可以從業(yè)務(wù)層的角度來(lái)展開(kāi)認(rèn)證。對(duì)于一些敏感的業(yè)務(wù)層，則應(yīng)用更高層級(jí)的業(yè)務(wù)認(rèn)證方式。與此同時(shí)，在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)管理中，信息方面也具有一定安全性保障方面的需求，而加密技術(shù)的應(yīng)用就是非常常見(jiàn)的技術(shù)選擇。通過(guò)逐跳加密機(jī)制，可以有效地減少成本，同時(shí)也具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和時(shí)效性特點(diǎn)，在一些業(yè)務(wù)安全要求不高的安全防護(hù)中較為常用。但是，由于這種方式需要在不同傳送節(jié)點(diǎn)進(jìn)行解密，因而其需要保證傳送節(jié)點(diǎn)的可信任度。而端到端加密機(jī)制其本身可以滿足更高安全要求的業(yè)務(wù)加密。采取這種加密方式，其本身可以確保節(jié)點(diǎn)和傳輸過(guò)程中的有效加密，接收端和發(fā)送端才能具備明文。這種加密方式本身的安全性更高，但是在實(shí)際應(yīng)用上也應(yīng)該結(jié)合以太網(wǎng)的項(xiàng)目特點(diǎn)和安全需求，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和應(yīng)用，從而達(dá)到最大化的應(yīng)用效果。對(duì)這種加密技術(shù)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，以太網(wǎng)本身是給予其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面支持的重要基礎(chǔ)。我們需要結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)中以太網(wǎng)體系和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，做好相應(yīng)的信息層面上的控制和支持保障。

2.2 敏感數(shù)據(jù)方面管理的支持

隱私保護(hù)也是工業(yè)控制系統(tǒng)安全保障體系構(gòu)建中所必須思考的一部分內(nèi)容，同時(shí)也是規(guī)避信息泄露方面問(wèn)題的一個(gè)重要的手段。在隱私保護(hù)應(yīng)用上，應(yīng)該結(jié)合系統(tǒng)安全和系統(tǒng)工作效率方面的特點(diǎn)，進(jìn)行更加全方位的思考。在現(xiàn)階段隱私保護(hù)應(yīng)用上，其主要通過(guò)模糊化敏感信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)隱私的有效保護(hù)，并對(duì)于全局敏感數(shù)據(jù)和部分原始信息進(jìn)行隱藏的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)的目的。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程中，會(huì)采取隨機(jī)路由協(xié)議的方式，對(duì)于轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)化跳轉(zhuǎn)，從而達(dá)到改變傳輸路徑，減少節(jié)點(diǎn)信息被獲取的風(fēng)險(xiǎn)，從而實(shí)現(xiàn)安全防范。

2.3 自動(dòng)化生產(chǎn)體系中安全控制需求的支持

工業(yè)控制系統(tǒng)安全保障體系構(gòu)建的過(guò)程中，安全控制技術(shù)的應(yīng)用也是非常重要的。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)可定義為系統(tǒng)對(duì)某事件的反應(yīng)時(shí)間的可測(cè)性。也就是說(shuō)，在一個(gè)事件發(fā)生后，系統(tǒng)必須在一個(gè)可以準(zhǔn)確預(yù)見(jiàn)的時(shí)間范圍內(nèi)做出反應(yīng)。然而，工業(yè)上對(duì)數(shù)據(jù)的傳遞的實(shí)時(shí)性要求十分嚴(yán)格，往往數(shù)據(jù)的更新是在數(shù)十毫秒內(nèi)完成的。而同樣由于以太網(wǎng)存在的CSMA/CD機(jī)制，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)沖突，那么就需要數(shù)據(jù)的重新發(fā)送，在不斷嘗試的過(guò)程中，需要花費(fèi)一定的時(shí)間來(lái)進(jìn)行處理，而這一段時(shí)間就會(huì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生很大的影響，不僅僅會(huì)造成生產(chǎn)的中斷，同時(shí)也很有可能出現(xiàn)安全方面的嚴(yán)重事故。針對(duì)這方面情況，我們就可以利用以太網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建科學(xué)化的管理模型，通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全控制技術(shù)方面的有效調(diào)整和整合，從而保障對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的全方位控制。我們應(yīng)該結(jié)合以太網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)，引入更加精準(zhǔn)化的控制技術(shù)，盡可能對(duì)于工業(yè)控制系統(tǒng)安全方面的風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題進(jìn)行控制，充分發(fā)揮以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特色。在該系統(tǒng)當(dāng)中，也具有一個(gè)數(shù)據(jù)展示與報(bào)警平臺(tái)的設(shè)置。例如，在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境當(dāng)中，空調(diào)系統(tǒng)是非常重要的構(gòu)成。我們可以利用以太網(wǎng)技術(shù)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的管理，依托以太網(wǎng)技術(shù)為相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸構(gòu)建一個(gè)通暢的渠道，對(duì)待空調(diào)系統(tǒng)中的電壓、能耗、實(shí)時(shí)電流、耗電量、PUE以及功率等方面的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，供給環(huán)比以及同比分析的應(yīng)用。在出現(xiàn)系統(tǒng)問(wèn)題時(shí)，第一視角進(jìn)行報(bào)警，相關(guān)管理人員就可以通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，給予相應(yīng)的控制決策。在當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，整體的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)本身的安全方面的需求不同，同時(shí)也面臨著不同層面上的安全問(wèn)題。部分安全問(wèn)題具有較強(qiáng)的難預(yù)測(cè)性特點(diǎn)，在實(shí)際安全防范中會(huì)產(chǎn)生很大的威脅。以太網(wǎng)技術(shù)本身在應(yīng)用上，也應(yīng)該結(jié)合不同更多場(chǎng)景給予相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)層面上的支持，這樣工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值和效能才能夠得到更好的展現(xiàn)[2]。

3 結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用，這為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)水平的提升帶來(lái)了很多新的契機(jī)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用的有效促進(jìn)?？梢哉f(shuō)，在當(dāng)前工業(yè)信息化發(fā)展的趨勢(shì)下，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)可以說(shuō)是其中的核心技術(shù)內(nèi)容，也是當(dāng)前智慧工廠網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。隨著當(dāng)前技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)水平也一直在提升當(dāng)中，很多關(guān)鍵技術(shù)難題也都得到了有效的解決，并大幅度改善了工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用的安全性和可靠性，做好相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 董建軍，譚尊兵.工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和案例[J].科技視界， 2016，（18）：219-220.

[2] 馮濤，魯曄，方君麗.工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議脆弱性與安全防護(hù)技術(shù)綜述[J].通信學(xué)報(bào)，2017，（S2）：185-196.