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北京软件公司物联网开发中以太网是工业物联网的关键吗？_北京软件开发公司
发表日期：2021-09-06 18:27:15 文章编辑：北京软件开发 浏览次数:
预计到 2020 年将有 340 亿台设备连接到物联网 (IoT)，其中企业和政府将占这些连接的 55% 以上。随着物联网对提高效率（例如降低运营成本和提高生产力）的承诺，“智能对象”之间的嵌入式机器对机器 (M2M) 通信在商业、工业和政府实体中越来越普遍。
与消费物联网不同，工业物联网 (IIoT) 对数据完整性、可靠性和安全性的要求要严格得多。中断的威胁给整个数字网络带来了巨大的安全风险，但 IIoT 前所未有的透明度和效率的前景仍然令人信服。
连接的 IIoT 对象的实时可见性和控制需要具有远程管理功能的高性能、低延迟网络。以太网已经成为企业、数据中心和许多服务提供商网络的首选技术，因为它具有标准化、多功能性、高性能和低成本等优势。
然而，今天的 IIoT 网络主要使用专门的网络协议和各种传统设备的安装基础。这使得全 IP 以太网基础设施的现代化变得更加复杂。这些异构网络的升级策略必须在工业设置的必要性（系统可靠性、确定性和安全性）与迁移到以太网提供的标准化和低成本网络解决方案之间取得平衡。
IIoT北京软件开发公司面临的三大挑战是安全性、确定性和网络迁移。应对这些挑战需要结合使用以太网交换解决方案、可编程设备、高精度定时、以太网供电 (PoE) 和应用优化软件等技术。
工业网络安全
当今工业网络的安全性通常以通过防火墙与企业网络和 Internet 隔离为前提。更广泛的保护工业网络的尝试通常会导致网络停机、代价高昂的网络拓扑更改或两者兼而有之，从而危及工厂生产力、收入，有时甚至会危及安全。但是，仅仅因为我们认为某个工业网络与 Internet 隔离而假设它受到保护是一种误解。
正如最近的网络攻击所表明的那样，现实情况是将现代工业网络与互联网隔离实际上会降低其安全性，因为管理和诊断问题更加困难。随着公司更新供应链、采用新技术或发展以应对新的竞争威胁和机遇，孤立的网络也难以扩展和重新配置。
IIoT 网络安全必须采取多层方法来保护数据平面、管理（网络和元素）和控制（协议）平面。这三个都需要保护，特别是对于 M2M 通信。典型的方法依赖于数据加密、管理和控制流量、寻址身份验证、授权和计费 (AAA) 以及数据完整性。
全网加密是保证所有网络流量安全的另一层。在以太网网络中，MACsec (IEEE 802.1AE) 和 Keysec（现在是 IEEE 802.1X 的一部分）是 L2 加密和密钥管理协议，用于保护以太网物理端口和 VLAN。为了进一步增强机密性，IEEE 802.1AEbn 包括某些政府机构现在要求的强大的 256 位加密。
虽然仅靠加密不足以保护网络安全，但在网络设备和端点中使用强大的 256 位加密（如 MACsec）可以为基于以太网的 IIoT 网络所需的身份验证、数据完整性和用户机密性提供一种手段。此外，利用具有内置安全功能的 FPGA 可用于在系统中提供信任根。这些设备通常用于安全启动外部处理器，添加另一个安全层以防止篡改网络元素以查找密钥。
随着 IIoT 变得越来越普遍，公司将越来越多地寻求在网络边缘获取数据，使用大数据分析和云计算来扩展处理并实际利用所有这些数据。互联网连接是必不可少的。这就是与分布式网络硬件密切合作的集中式安全编排方法可以提供保护 IIoT 网络的有效方法的地方。
归根结底，工业网络必须采用多层安全方法，以确保网络的可靠性和正常运行时间，同时不限制操作。
决定论
在考虑以太网中的确定性性能和网络可靠性时，期望特定功能在精确的时间范围内发生。当每个网络元素都具有时间感知能力并且可以识别它是否“准时”传送以太网数据包时，这是可能的。
但只是解决方案的一部分。当今存在使用 IEEE 1588v2 在以太网中同步和分配精确“时间”的机制；然而，最新的时间敏感网络 (TSN) 标准为系统开发人员带来了一种非常面向时间的流量调度方式。
TSN 标准由 IEEE 802 小组开发，扩展了以太网功能，使其成为真正的工业级实时通信协议。元素包括时钟同步、基于时间的消息处理、帧抢占和无缝冗余。
TSN (AVB Gen2) 是一套提供以下功能的标准：
时间敏感应用的定时和同步 (IEEE 802.1ASbt)
计划流量的增强功能 (IEEE 802.1Qbv)
帧抢占 (IEEE 802.1Qbu)
冗余网络的路径控制和预留 (IEEE 802.1Qca)
流预留协议 (SRP) 增强以支持 Qbu/Qbv/Qca/CB (IEEE 802.1Qcc)
无缝冗余 (IEEE 802.1CB)。
例如，除了提高可用性和性能外，IEEE 802.1ASbt 还增加了一步时间戳支持。与上一代标准中使用的两步过程相比，这减少了传送网络定时信息所需的数据包数量。数据包流量和计算能力的减少在广泛的菊花链时间感知网络中是有益的。IEEE 802.1ASbt 还通过提供多级同步来提高定时信息的可用性，以在各个网络节点获得准确的定时。
新的 TSN 功能将为以太网网络提供 IIoT 应用中通信所需的实时确定性和低延迟。这将消除可能阻止使用以太网作为其主要骨干网的 IIoT 网络的最后一个障碍，推动关键和非关键控制和数据流量融合到单个网络上。
虽然带有 TSN 的以太网最终将成为工业网络部署的合理确定性主干，但至少在可预见的未来，专有接口将继续存在。能够在以太网、IEEE 1588、TSN 和专用工业协议之间进行转换同时保持确定性行为的 FPGA/SoC 将是至关重要的。
确定性是使用 FPGA 相对于 MCU 的主要优势之一。例如，使用 EtherCAT 的联网电机控制应用将受益于 FPGA 架构的确定性特性。FPGA 可以以尽可能低的延迟实现协议转换和电机控制算法。与 MCU 不同，FPGA 能够以确定性方式传输数据并与远程节点同步执行确定性电机控制。
网络迁移
IIoT 网络最终迁移到 IP/以太网是给定的，但重要的是要认识到这种转变所特有的两个主要因素：
专为局域网 (LAN) 设计的以太网标准、组件和系统并不适合 IIoT 网络。
IIoT 网络迁移需要采取平衡措施来支持现有的“非标准”协议，并使网络做好准备以利用早期创新。
因此，当面对典型的工业网络时——由使用多种专用网络协议的遗留设备的异构安装基础组成——软件开发人员应该寻找几个关键元素来简化他们的网络向以太网的迁移：
以太网和现场总线接口的多协议支持，以确保大规模异构网络中的互操作性和可扩展性
优化的以太网交换机软件堆栈，便于部署和管理
统一的硬件和软件，以可靠地提供工业通信所需的实时确定性和低延迟
端口配置和同步选项的灵活性，同时满足 IIoT 的环境和操作要求
高达 95 W 的以太网供电 (PoE) 选项可为远程设备安全供电，简化部署
通过结合以下硬件和软件开发的实用组合，上述所有内容都可以实现：
低功耗且安全的 FPGA 解决方案
为工业部署优化的以太网交换芯片
软件堆栈不仅提供可管理性和监控功能，还提供安全编排软件生态系统
专为工业环境设计的坚固耐用的 PoE 解决方案。
需要注意的是，IIoT软件开发不会有“一刀切”的方法。支持 PoE、同步需求和数据加密的选项可以帮助提供对基线硬件和软件解决方案的无缝升级。其他场景可能有计算需求，这些需求可以通过交换机中的集成 CPU 或 FPGA 或独立 CPU 实现。
为 IIoT 应用程序设计需要一个合理的迁移路径，利用确定性网络的新技术，同时承认工业网络存在于一个系统环境中，该系统环境优先考虑最大网络正常运行时间而不是最新的网络升级。在网络中断根本不可行的世界中，该行业必须摆脱旧的技术和协议以及第一代工业以太网网络。
与消费物联网不同，工业物联网 (IIoT) 对数据完整性、可靠性和安全性的要求要严格得多。中断的威胁给整个数字网络带来了巨大的安全风险，但 IIoT 前所未有的透明度和效率的前景仍然令人信服。
连接的 IIoT 对象的实时可见性和控制需要具有远程管理功能的高性能、低延迟网络。以太网已经成为企业、数据中心和许多服务提供商网络的首选技术，因为它具有标准化、多功能性、高性能和低成本等优势。
然而，今天的 IIoT 网络主要使用专门的网络协议和各种传统设备的安装基础。这使得全 IP 以太网基础设施的现代化变得更加复杂。这些异构网络的升级策略必须在工业设置的必要性（系统可靠性、确定性和安全性）与迁移到以太网提供的标准化和低成本网络解决方案之间取得平衡。
IIoT北京软件开发公司面临的三大挑战是安全性、确定性和网络迁移。应对这些挑战需要结合使用以太网交换解决方案、可编程设备、高精度定时、以太网供电 (PoE) 和应用优化软件等技术。
工业网络安全
当今工业网络的安全性通常以通过防火墙与企业网络和 Internet 隔离为前提。更广泛的保护工业网络的尝试通常会导致网络停机、代价高昂的网络拓扑更改或两者兼而有之，从而危及工厂生产力、收入，有时甚至会危及安全。但是，仅仅因为我们认为某个工业网络与 Internet 隔离而假设它受到保护是一种误解。
正如最近的网络攻击所表明的那样，现实情况是将现代工业网络与互联网隔离实际上会降低其安全性，因为管理和诊断问题更加困难。随着公司更新供应链、采用新技术或发展以应对新的竞争威胁和机遇，孤立的网络也难以扩展和重新配置。
IIoT 网络安全必须采取多层方法来保护数据平面、管理（网络和元素）和控制（协议）平面。这三个都需要保护，特别是对于 M2M 通信。典型的方法依赖于数据加密、管理和控制流量、寻址身份验证、授权和计费 (AAA) 以及数据完整性。
全网加密是保证所有网络流量安全的另一层。在以太网网络中，MACsec (IEEE 802.1AE) 和 Keysec（现在是 IEEE 802.1X 的一部分）是 L2 加密和密钥管理协议，用于保护以太网物理端口和 VLAN。为了进一步增强机密性，IEEE 802.1AEbn 包括某些政府机构现在要求的强大的 256 位加密。
虽然仅靠加密不足以保护网络安全，但在网络设备和端点中使用强大的 256 位加密（如 MACsec）可以为基于以太网的 IIoT 网络所需的身份验证、数据完整性和用户机密性提供一种手段。此外，利用具有内置安全功能的 FPGA 可用于在系统中提供信任根。这些设备通常用于安全启动外部处理器，添加另一个安全层以防止篡改网络元素以查找密钥。
随着 IIoT 变得越来越普遍，公司将越来越多地寻求在网络边缘获取数据，使用大数据分析和云计算来扩展处理并实际利用所有这些数据。互联网连接是必不可少的。这就是与分布式网络硬件密切合作的集中式安全编排方法可以提供保护 IIoT 网络的有效方法的地方。
归根结底，工业网络必须采用多层安全方法，以确保网络的可靠性和正常运行时间，同时不限制操作。
决定论
在考虑以太网中的确定性性能和网络可靠性时，期望特定功能在精确的时间范围内发生。当每个网络元素都具有时间感知能力并且可以识别它是否“准时”传送以太网数据包时，这是可能的。
但只是解决方案的一部分。当今存在使用 IEEE 1588v2 在以太网中同步和分配精确“时间”的机制；然而，最新的时间敏感网络 (TSN) 标准为系统开发人员带来了一种非常面向时间的流量调度方式。
TSN 标准由 IEEE 802 小组开发，扩展了以太网功能，使其成为真正的工业级实时通信协议。元素包括时钟同步、基于时间的消息处理、帧抢占和无缝冗余。
TSN (AVB Gen2) 是一套提供以下功能的标准：
时间敏感应用的定时和同步 (IEEE 802.1ASbt)
计划流量的增强功能 (IEEE 802.1Qbv)
帧抢占 (IEEE 802.1Qbu)
冗余网络的路径控制和预留 (IEEE 802.1Qca)
流预留协议 (SRP) 增强以支持 Qbu/Qbv/Qca/CB (IEEE 802.1Qcc)
无缝冗余 (IEEE 802.1CB)。
例如，除了提高可用性和性能外，IEEE 802.1ASbt 还增加了一步时间戳支持。与上一代标准中使用的两步过程相比，这减少了传送网络定时信息所需的数据包数量。数据包流量和计算能力的减少在广泛的菊花链时间感知网络中是有益的。IEEE 802.1ASbt 还通过提供多级同步来提高定时信息的可用性，以在各个网络节点获得准确的定时。
新的 TSN 功能将为以太网网络提供 IIoT 应用中通信所需的实时确定性和低延迟。这将消除可能阻止使用以太网作为其主要骨干网的 IIoT 网络的最后一个障碍，推动关键和非关键控制和数据流量融合到单个网络上。
虽然带有 TSN 的以太网最终将成为工业网络部署的合理确定性主干，但至少在可预见的未来，专有接口将继续存在。能够在以太网、IEEE 1588、TSN 和专用工业协议之间进行转换同时保持确定性行为的 FPGA/SoC 将是至关重要的。
确定性是使用 FPGA 相对于 MCU 的主要优势之一。例如，使用 EtherCAT 的联网电机控制应用将受益于 FPGA 架构的确定性特性。FPGA 可以以尽可能低的延迟实现协议转换和电机控制算法。与 MCU 不同，FPGA 能够以确定性方式传输数据并与远程节点同步执行确定性电机控制。
网络迁移
IIoT 网络最终迁移到 IP/以太网是给定的，但重要的是要认识到这种转变所特有的两个主要因素：
专为局域网 (LAN) 设计的以太网标准、组件和系统并不适合 IIoT 网络。
IIoT 网络迁移需要采取平衡措施来支持现有的“非标准”协议，并使网络做好准备以利用早期创新。
因此，当面对典型的工业网络时——由使用多种专用网络协议的遗留设备的异构安装基础组成——软件开发人员应该寻找几个关键元素来简化他们的网络向以太网的迁移：
以太网和现场总线接口的多协议支持，以确保大规模异构网络中的互操作性和可扩展性
优化的以太网交换机软件堆栈，便于部署和管理
统一的硬件和软件，以可靠地提供工业通信所需的实时确定性和低延迟
端口配置和同步选项的灵活性，同时满足 IIoT 的环境和操作要求
高达 95 W 的以太网供电 (PoE) 选项可为远程设备安全供电，简化部署
通过结合以下硬件和软件开发的实用组合，上述所有内容都可以实现：
低功耗且安全的 FPGA 解决方案
为工业部署优化的以太网交换芯片
软件堆栈不仅提供可管理性和监控功能，还提供安全编排软件生态系统
专为工业环境设计的坚固耐用的 PoE 解决方案。
需要注意的是，IIoT软件开发不会有“一刀切”的方法。支持 PoE、同步需求和数据加密的选项可以帮助提供对基线硬件和软件解决方案的无缝升级。其他场景可能有计算需求，这些需求可以通过交换机中的集成 CPU 或 FPGA 或独立 CPU 实现。
为 IIoT 应用程序设计需要一个合理的迁移路径，利用确定性网络的新技术，同时承认工业网络存在于一个系统环境中，该系统环境优先考虑最大网络正常运行时间而不是最新的网络升级。在网络中断根本不可行的世界中，该行业必须摆脱旧的技术和协议以及第一代工业以太网网络。