jinguanzuizhongmubiaofeichanglingrenxiangwang，danrengrancunzaixuyaokefudezhongdazhangai。julieryan，gongyesheshichuantongshangbijiaobaoshou，tongchanghuiyanhuanxinjishudecaiyong。ruciyilai
，biandaozhizhizaoshanghuijiangxinxitongyujiuxitongzhenghezaiyiqi，erzhewangwangyouhuizengjiaxitongjiantongxindefuzadu。tongchang，xianyoujichusheshizaibuhuohechuanshubianyuanwangluoshujufangmiancunzaizhongdakunnan。jieguoshiwomenbunengzhiwanggongchangzaiyiyezhijianwanchengzhuanxing。bixuyouyigeguoduqi。Analog Devices Inc. (ADI) 的解決方案和係統性專業知識可以支持並加快完成這種過渡。

 

互聯的企業需要轉型，關鍵在於以太網和安全

 

隨著企業組織和市場向工業 4.0 過渡
，首選通信手段是工業以太網。然而，解決以太網的確定性問題仍然是主要挑戰之一。

 

使用專有第 2 層(ceng)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)是(shi)許(xu)多(duo)協(xie)議(yi)采(cai)用(yong)的(de)一(yi)種(zhong)方(fang)案(an)。這(zhe)樣(yang)做(zuo)的(de)缺(que)點(dian)是(shi)，當(dang)提(ti)取(qu)數(shu)據(ju)供(gong)企(qi)業(ye)網(wang)絡(luo)的(de)較(jiao)高(gao)層(ceng)級(ji)使(shi)用(yong)時(shi)
，會(hui)出(chu)現(xian)嚴(yan)重(zhong)的(de)互(hu)配(pei)性(xing)問(wen)題(ti)或(huo)者(zhe)需(xu)要(yao)協(xie)調(tiao)不(bu)相(xiang)關(guan)的(de)製(zhi)造(zao)節(jie)點(dian)。為(wei)了(le)幫(bang)助(zhu)緩(huan)解(jie)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)，業(ye)界(jie)開(kai)發(fa)了(le)新(xin)的(de) IEEE 802.1 TSN（時間敏感型網絡）標準。這些標準旨在支持從專有解決方案過渡到標準解決方案。

 

以太網一直被認為是“盡力而為”型網絡，因此在關鍵任務型應用中，有必要增加一些特別的特性，其中包括無縫冗餘
、預定流量、時間同步、流量限製等。借助這些特性，網絡設計人員可以確保在整個網絡中傳輸特定類別的流量。此外，與專有第 2 層解決方案不同
，整合這些特性的設計可擴展到千兆以上的線路速率。允許在“盡力而為”型網絡上傳輸這種關鍵任務型實時流量並實現流式流量傳輸
，是新興 IEEE TSN 標準的目標。為幫助用戶熟悉 TSN 標準，ADI 提供了 RAPID-TSNEK-V0001 評估套件（圖 1）。該套件包含了對與開發中的 IEEE 802.1 TSN 標準相關的特性進行評估所需的一切。該套件目前支持以下 TSN 標準：

 

● 802.1AS、AS-REV

● 802.1Qbv

● 802.1Qci

● 802.1CB

● 802.1Qcc

● 802.1bu/802.3br

 

由於該標準尚在演進之中，ADI 計劃在適當時候允許免費下載新特性和更新。

 

圖 1：針對 802.1 TSN 標準的 ADI RAPID-TSNEK-V0001 評估套件。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

當邊緣設備連接到支持 TSN 的融合式工業 4.0 網絡時
，會產生許多挑戰。雖然現場總線和 4 mA 至 20 mA 電(dian)流(liu)環(huan)路(lu)等(deng)邊(bian)緣(yuan)設(she)備(bei)通(tong)信(xin)技(ji)術(shu)能(neng)夠(gou)可(ke)靠(kao)地(di)工(gong)作(zuo)，但(dan)將(jiang)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)到(dao)雲(yun)端(duan)常(chang)常(chang)會(hui)受(shou)到(dao)阻(zu)礙(ai)，因(yin)為(wei)數(shu)據(ju)要(yao)穿(chuan)過(guo)從(cong)工(gong)廠(chang)車(che)間(jian)到(dao)管(guan)理(li)部(bu)門(men)的(de)許(xu)多(duo)通(tong)信(xin)層(ceng)。從(cong)一(yi)種(zhong)協(xie)議(yi)轉(zhuan)換(huan)到(dao)另(ling)一(yi)種(zhong)協(xie)議(yi)常(chang)常(chang)需(xu)要(yao)網(wang)關(guan)
，而(er)且(qie)在(zai)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)到(dao)執(zhi)行(xing)分(fen)析(xi)的(de)位(wei)置(zhi)期(qi)間(jian)
，可(ke)能(neng)有(you)多(duo)個(ge)服(fu)務(wu)器(qi)會(hui)存(cun)儲(chu)數(shu)據(ju)。還(hai)有(you)一(yi)件(jian)事(shi)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)
，那(na)就(jiu)是(shi)將(jiang)數(shu)據(ju)從(cong)傳(chuan)感(gan)器(qi)傳(chuan)輸(shu)到(dao)雲(yun)端(duan)的(de)總(zong)擁(yong)有(you)成(cheng)本(ben)不(bu)僅(jin)僅(jin)涉(she)及(ji)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)所(suo)需(xu)的(de)硬(ying)件(jian)，還(hai)包(bao)括(kuo)保(bao)證(zheng)數(shu)據(ju)在(zai)網(wang)絡(luo)中(zhong)的(de)完(wan)整(zheng)性(xing)所(suo)需(xu)的(de)軟(ruan)件(jian)
、處理和人力。

 

將以太網運用到簡單邊緣設備（如溫度變送器）看起來可能效率不高，但這裏的關鍵不在於設備簡單或生產/使用的數據量較小，而在於經濟有效地從融合網絡提取設備數據
，然後能夠利用這些數據得到可執行的結果。例如
，分布式控製係統 (DCS) 可ke能neng使shi用yong溫wen度du變bian送song器qi數shu據ju來lai驗yan證zheng它ta正zheng在zai監jian控kong的de流liu程cheng是shi否fou受shou到dao實shi時shi控kong製zhi。另ling外wai，此ci特te定ding溫wen度du可ke能neng會hui對dui整zheng個ge流liu程cheng產chan生sheng不bu利li影ying響xiang。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，溫wen度du變bian送song器qi和he雲yun端duan之zhi間jian的de無wu縫feng連lian接jie將jiang能neng支zhi持chi高gao性xing能neng分fen析xi近jin乎hu實shi時shi地di考kao慮lv所suo有you流liu程cheng參can數shu，確que保bao整zheng個ge流liu程cheng按an預yu期qi執zhi行xing。此ci外wai，為wei確que保bao生sheng產chan流liu程cheng得de到dao優you化hua或huo提ti高gao能neng效xiao
，可ke根gen據ju實shi時shi分fen析xi進jin行xing動dong態tai調tiao整zheng。

 

ADI 將這些挑戰視為驅使其投資新以太網技術的動力因素。為此，ADI 提供了低複雜度的以太網技術，它是將簡單工業設備（例如上例中使用的溫度變送器）直連到以太網的關鍵促成要素（圖 2）。

 

圖 2：說明 ADI 的 fido5100/fido5200 如何能與許多不同協議對接的框圖。（圖片來源：Analog Devices）

 

與當前標準第 2 層以太網方案相比，低複雜度以太網通過減小尺寸、功耗和成本來降低向雲端傳輸數據的總擁有成本。

 

為wei了le促cu進jin向xiang融rong合he式shi工gong業ye以yi太tai網wang網wang絡luo的de過guo渡du
，還hai需xu要yao物wu理li層ceng創chuang新xin
，以yi使shi解jie決jue方fang案an與yu現xian有you係xi統tong的de一yi些xie固gu有you功gong能neng相xiang匹pi配pei。在zai許xu多duo已yi部bu署shu的de以yi太tai網wang網wang絡luo中zhong，物wu理li層ceng標biao準zhun將jiang電dian纜lan長chang度du限xian製zhi為wei 100 米(mi)，需(xu)要(yao)多(duo)根(gen)雙(shuang)絞(jiao)線(xian)電(dian)纜(lan)才(cai)能(neng)完(wan)全(quan)實(shi)現(xian)。與(yu)此(ci)相(xiang)反(fan)，目(mu)前(qian)工(gong)廠(chang)安(an)裝(zhuang)的(de)大(da)多(duo)數(shu)自(zi)動(dong)化(hua)網(wang)絡(luo)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)均(jun)采(cai)用(yong)單(dan)根(gen)雙(shuang)絞(jiao)線(xian)電(dian)纜(lan)

，其(qi)中(zhong)一(yi)些(xie)可(ke)能(neng)長(chang)達(da) 1000 米以上，且數據速率為 31.25 kbps。

 

為解決這個問題，ADI 和一些主要工業合作夥伴正在與 IEEE 合作開發新的以太網標準。該標準 (10SPE) 定義的以太網網絡可以 10 Mbps 的數據速率在長達 1000 米的單根雙絞線電纜上運行。通過這一基於標準的協作方式，ADI 正在努力支持減少適應障礙
，並縮短可實現融合型廠域網絡目標所需的時間。

 

此外
，其他使用 100 Mbps 確定性以太網（Fido5100 和 5200）的de應ying用yong已yi經jing在zai突tu破po帶dai寬kuan和he性xing能neng的de限xian製zhi。例li如ru，隨sui著zhe坐zuo標biao軸zhou數shu量liang的de不bu斷duan增zeng加jia，機ji器qi人ren應ying用yong需xu要yao比bi以yi往wang更geng高gao的de控kong製zhi精jing度du。為wei了le幫bang助zhu滿man足zu這zhe一yi要yao求qiu，控kong製zhi網wang絡luo轉zhuan變bian到dao千qian兆zhao速su度du至zhi關guan重zhong要yao。更geng高gao的de通tong信xin速su度du是shi工gong業ye以yi太tai網wang的de另ling一yi個ge主zhu要yao趨qu勢shi。

 

工業網絡安全

 

工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)需(xu)要(yao)解(jie)決(jue)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)問(wen)題(ti)是(shi)安(an)全(quan)。隨(sui)著(zhe)工(gong)業(ye)網(wang)絡(luo)邊(bian)緣(yuan)對(dui)數(shu)據(ju)和(he)檢(jian)測(ce)的(de)預(yu)期(qi)需(xu)求(qiu)上(shang)升(sheng)
，安(an)全(quan)風(feng)險(xian)也(ye)將(jiang)加(jia)大(da)。此(ci)外(wai)，工(gong)業(ye)控(kong)製(zhi)的(de)低(di)延(yan)遲(chi)和(he)抖(dou)動(dong)要(yao)求(qiu)可(ke)能(neng)與(yu)安(an)全(quan)要(yao)求(qiu)直(zhi)接(jie)衝(chong)突(tu)。因(yin)此(ci)，使(shi)用(yong)這(zhe)些(xie)技(ji)術(shu)的(de)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)需(xu)要(yao)解(jie)決(jue)這(zhe)些(xie)應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)性(xing)能(neng)和(he)安(an)全(quan)問(wen)題(ti)。此(ci)類(lei)安(an)全(quan)風(feng)險(xian)已(yi)逐(zhu)漸(jian)引(yin)起(qi)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)關(guan)注(zhu)。

 

隨著工業物聯網 (IIoT) 和工業 4.0 的出現，工業空間被重新定義為動態信息流、廣泛分布的設備和跨平台連接，從而提供新功能。然而

，隨著這些新功能的產生，必然也會出現新的安全威脅
，這一點並不足為奇。

 

當人們考慮如此多的設備需要安全連接到網絡時，僅僅確立邊緣設備身份似乎就很成問題。使用傳統方法（例如物理分布式共享加密密鑰）和管理證書交換將變得不切實際
，在邏輯上簡直是噩夢。因此，要使可信的工業 4.0 企qi業ye成cheng為wei現xian實shi，建jian立li無wu密mi鑰yao身shen份fen識shi別bie技ji術shu至zhi關guan重zhong要yao。另ling外wai，邊bian緣yuan設she備bei本ben質zhi上shang是shi高gao度du受shou限xian的de設she備bei，要yao求qiu硬ying件jian和he軟ruan件jian占zhan用yong空kong間jian均jun很hen小xiao，因yin此ci需xu要yao低di固gu定ding延yan遲chi的de輕qing型xing加jia密mi方fang法fa。為wei了le解jie決jue這zhe些xie問wen題ti，ADI 大力投資於資源約束型設備安全技術，如輕型區塊加密和身份驗證。事實上
，Linear Technology（現為隸屬於 ADI）的 SmartMesh IP™ 技術解決了本文討論的許多挑戰。

 

圖 3：Linear Technology/Analog Devices 的 SmartMesh IP 入門套件。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

總結

 

作為對工業自動化市場需求的回應，Analog Devices 的工業自動化部門設計並推出了檢測、監控、控製和強大實時通信係統領域的工業網絡邊緣設備解決方案。此外，ADI 還為邊緣設備提供了其他領域的解決方案
，如多協議支持、安全和身份驗證
、功能安全和本質安全。借助這一切
，ADI 推動並加快了製造業向可信 IIoT 互聯企業的轉型。

 

 

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