在邊緣部署單對以太網(wǎng)

工業(yè)領(lǐng)域的工廠長期以來一直使用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)來監(jiān)視和控制生產(chǎn)設(shè)施。工廠、數(shù)據(jù)中心和商業(yè)建筑中的大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一直在將其數(shù)字信息網(wǎng)絡(luò)的邊緣越來越近地推向現(xiàn)實物理世界。溫度、壓力、接近或光等物理測量值會被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息以供系統(tǒng)處理，計算出的結(jié)果隨后會轉(zhuǎn)化為實際設(shè)備（如閥門、風(fēng)扇、電源和指示器等）的物理動作。信息技術(shù)（IT）網(wǎng)絡(luò)與運營技術(shù)（OT）網(wǎng)絡(luò)正趨向于使用類似的技術(shù)來簡化整個組織的數(shù)據(jù)流。 

若想使IT與OT更緊密地結(jié)合在一起，其中一種方法是使用單一底層網(wǎng)絡(luò)在各個系統(tǒng)之間建立通信。當(dāng)電子技術(shù)首次進(jìn)入自動化領(lǐng)域時，各種分布式子系統(tǒng)都是專業(yè)化的，并且由使用的硬件定義。針對這些域特定的硬件架構(gòu)，分別定義了針對特定應(yīng)用而優(yōu)化的通信技術(shù)。每個硬件系統(tǒng)都使用專門的總線進(jìn)行通信，因此需要通過復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)從一個硬件系統(tǒng)的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換到另一個硬件系統(tǒng)的通信協(xié)議。

隨著時間的推移，這種過時的架構(gòu)逐漸被軟件定義的集中式架構(gòu)所取代。在新架構(gòu)中，不再使用獨立分離的域或功能，而是將電子接口分組到企業(yè)內(nèi)的各個區(qū)域并與現(xiàn)代的集中式計算平臺相連。這些電子接口使用現(xiàn)在無處不在的以太網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫枰牡胤?。以太網(wǎng)是可擴展的。單個軟件協(xié)議?？梢允褂貌煌挠布锢韺右圆煌乃俣葌鬟f信息，而不改變數(shù)據(jù)本身。無論給定以太網(wǎng)鏈路的帶寬如何，都使用同一種以太網(wǎng)幀格式。以太網(wǎng)交換機自動調(diào)整每個端口的數(shù)據(jù)傳輸速度。

在網(wǎng)絡(luò)邊緣，各種傳感器（溫度、壓力、光和接近等）從物理世界獲取數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。數(shù)據(jù)信息經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)化為執(zhí)行器（電機、燈、風(fēng)扇和閥門等）的物理動作。這些設(shè)備通常不需要大量數(shù)據(jù)，但著重要求布線簡單且易于安裝。10BASE-T1S以太網(wǎng)專為這些應(yīng)用而開發(fā)，它將以太網(wǎng)架構(gòu)引入到了非常簡單的設(shè)備中。圖1呈現(xiàn)了這一技術(shù)趨勢。 

圖1 絡(luò)趨勢

10BASE-T1S技術(shù)

10BASE-T1S以太網(wǎng)專門針對這些分區(qū)架構(gòu)而開發(fā)。它通過一個平衡線對以10 Mbps的速度運行。10BASE-T1S技術(shù)基于40多年前以太網(wǎng)首次成為標(biāo)準(zhǔn)時使用的簡單機制，但對其進(jìn)行了增強以更有效地利用所有可用帶寬。 

以太網(wǎng)最初使用單根同軸線纜直接連接多個設(shè)備。現(xiàn)今廣泛使用的交換機是后來開發(fā)的，旨在消除原始方案的多分支特性所導(dǎo)致的缺點。但是，交換機的出現(xiàn)增加了復(fù)雜度和成本，而且需要在每個設(shè)備與交換機之間建立一條點對點連接。

最初以太網(wǎng)的工作原理是各種設(shè)備檢測其所連接的線路，然后嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。如果只有一個設(shè)備開始進(jìn)行發(fā)送，則可以發(fā)送完整的數(shù)據(jù)包信息。如果多個設(shè)備同時嘗試進(jìn)行發(fā)送，則線路上將發(fā)生沖突，并且所有設(shè)備都會檢測到?jīng)_突。這些設(shè)備隨后將關(guān)閉，并在一段隨機時間后重試。這項技術(shù)被稱為帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）。其主要缺點是隨著越來越多的設(shè)備連接到單線主干網(wǎng)，將會發(fā)生更多的沖突，并且會浪費越來越多的時間進(jìn)行退出和重試。鏈路的有效帶寬會變得非常有限。

物理層防沖突（PLCA）

10BASE-T1S以太網(wǎng)通過引入一種名為PLCA物理層防沖突（PLCA）的仲裁機制解決了這一問題。PLCA專門設(shè)計用于10BASE-T1S等半雙工、多分支通信網(wǎng)絡(luò)，并且消除了多分支混合段中的CSMA/CD問題。 

PLCA部署到位后，發(fā)送周期從協(xié)調(diào)器節(jié)點（節(jié)點0）發(fā)出信標(biāo)開始，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用該信標(biāo)進(jìn)行同步。發(fā)出信標(biāo)后，發(fā)送機會將傳遞給節(jié)點1。如果節(jié)點1沒有要發(fā)送的數(shù)據(jù)，則會將發(fā)送機會讓給節(jié)點2，以此類推，直到每個節(jié)點都至少獲得一次發(fā)送機會。然后，協(xié)調(diào)器節(jié)點會發(fā)起一個新周期，并發(fā)送另一個信標(biāo)。 

為了防止某個節(jié)點一直占用總線，jabber功能會在該節(jié)點的發(fā)送時間超出限額時將其中斷，讓下一個節(jié)點進(jìn)行發(fā)送。最終結(jié)果是數(shù)據(jù)吞吐量不會受到影響，總線上也不會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。CSMA/CD可能會因數(shù)據(jù)沖突而產(chǎn)生隨機延時。PLCA可保證延時不會超過指定上限并提供其他相關(guān)特性，從而克服上述限制。圖2說明了PLCA的工作原理。 

圖2 理層防沖突——PLCA

安全  

當(dāng)數(shù)據(jù)位和字節(jié)在線路中從一個設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€設(shè)備并恢復(fù)后，會以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包格式提供給更高的軟件層。該格式包含目標(biāo)地址、源地址、一些管理位和有效負(fù)載。格式不會隨著物理層的變化而改變。這意味著即使越來越多的數(shù)據(jù)聚集等待計算機系統(tǒng)處理，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)速度發(fā)生變化，軟件層也仍然保持不變。圖3顯示了整體概念。

圖3 邊緣到云端的以太網(wǎng)

可以使用以太網(wǎng)機制來連接這些設(shè)備，而不必在OT網(wǎng)絡(luò)的端點使用多種現(xiàn)場總線和協(xié)議。這些都可以使用易于理解的以太網(wǎng)機制來解決。 

這其中包括各種安全機制，用于防止入侵或窺探數(shù)據(jù)，更糟糕的還有干擾物理系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)。由于以太網(wǎng)極具彈性，因此可用于銀行業(yè)等安全性非常高的應(yīng)用。其他專用通信技術(shù)可能很少甚至根本沒有網(wǎng)絡(luò)安全功能，必須從頭開發(fā)并進(jìn)行維護(hù)。此外，還必須落實提供這些功能的物流保障，這可要比硬件產(chǎn)品的設(shè)計和制造復(fù)雜得多。不但針對設(shè)施的訪問需要控制，而且供應(yīng)鏈的任何環(huán)節(jié)都可能發(fā)生可信鏈漏洞。很少有半導(dǎo)體供應(yīng)商能夠承擔(dān)這項任務(wù)。

以太網(wǎng)是數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)設(shè)施不可或缺的一部分。大數(shù)據(jù)用于分析趨勢并提供服務(wù)。預(yù)測性維護(hù)、遠(yuǎn)程診斷和其他監(jiān)視服務(wù)需要訪問系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)，而以太網(wǎng)可以提供對工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施最遠(yuǎn)范圍的訪問。與此同時，軟件可以管理各種流程并隨著技術(shù)的變化實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整，二者相輔相成。

功能安全

使用以太網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)還可以簡化功能安全系統(tǒng)的開發(fā)。功能安全是指當(dāng)系統(tǒng)中的某個組件出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠以可預(yù)測的方式做出反應(yīng)，從而安全地避免引發(fā)更多問題。不同行業(yè)有不同的標(biāo)準(zhǔn)。例如，汽車行業(yè)有ISO26262。工業(yè)應(yīng)用使用IEC61508。醫(yī)療、消費類和其他應(yīng)用都有自己的標(biāo)準(zhǔn)。但是，基本上都大同小異。功能安全適用于整個系統(tǒng)，但系統(tǒng)設(shè)計人員需要確保使用的組件支持功能安全，以便整個系統(tǒng)符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)。 

例如，半導(dǎo)體元件需要配備功能安全手冊，用以分析和診斷失效模式的影響。這被稱為FMEDA（失效模式影響和診斷分析），是一種確定失效原因及其對系統(tǒng)影響的方法。該方法應(yīng)用于系統(tǒng)開發(fā)的早期階段，以便檢測并糾正任何缺陷。

總結(jié)

OT網(wǎng)絡(luò)和IT網(wǎng)絡(luò)需要實現(xiàn)互操作性和安全性，而10BASE-T1S以太網(wǎng)的出現(xiàn)為二者的結(jié)合創(chuàng)造了新的商機。數(shù)據(jù)可以從網(wǎng)絡(luò)邊緣的節(jié)點進(jìn)行訪問，并可用于實現(xiàn)新的智能預(yù)測服務(wù)以及資產(chǎn)跟蹤和管理解決方案。 

通過精簡元件、軟件設(shè)計和布線可以降低系統(tǒng)成本。不再需要網(wǎng)關(guān)。由于多個設(shè)備通過單對線纜連接到一條總線，因此使用的交換機端口數(shù)量有所減少。 

通過使用統(tǒng)一的接口和完善的安全機制可以降低風(fēng)險。10BASE-T1S以太網(wǎng)是對IIoT網(wǎng)絡(luò)邊緣傳統(tǒng)解決方案的有力補充。它支持OT網(wǎng)絡(luò)和IT網(wǎng)絡(luò)各個級別的統(tǒng)一設(shè)計、軟件開發(fā)、測試和維護(hù)。精簡架構(gòu)和增強安全功能可以幫助設(shè)計人員降低風(fēng)險，輕松打造功能安全系統(tǒng)。