工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡綜述

張 宇

（中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610036）

0 引言

自動化和過程控制在工業(yè)中扮演著重要的角色。隨著信息化的提升，工業(yè)自動化系統(tǒng)不能被看作是“孤島”，它本身是封閉的，但必須允許各設備之間的互連、通信和監(jiān)控。工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡（以下簡稱“工業(yè)網(wǎng)絡”）涉及現(xiàn)場設備、數(shù)字化控制器、各種軟件，以及外部系統(tǒng)之間通信協(xié)議的實施。

工業(yè)網(wǎng)絡覆蓋了一個國家多個關鍵基礎設施的領域，如制造業(yè)和發(fā)電行業(yè)。它們是高度專業(yè)化的，并利用各種定制化的協(xié)議，以達到對物理設備實時控制的目的。由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境對自動化的依賴程度不斷提高，工業(yè)網(wǎng)絡的應用層面不斷拓寬。工業(yè)網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)等傳統(tǒng)技術也進一步融合，工業(yè)網(wǎng)絡技術在各個方面取得了巨大的發(fā)展，不斷地有新的解決方案、新的標準、新的概念被提出，例如工業(yè)實時以太網(wǎng)的技術、工業(yè)無線傳輸技術、工業(yè)網(wǎng)絡信息安全保障技術等。

1 工業(yè)網(wǎng)絡技術特征與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 工業(yè)網(wǎng)絡的特征

工業(yè)的發(fā)展依賴于自動化控制技術，工業(yè)自動化在能源、軌道交通等領域發(fā)揮著重要的作用，通過分析生產流程的環(huán)節(jié)，設定準確的運行參數(shù)，可以保證工業(yè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，同時還具備部分故障自動診斷、檢修、快速應急響應及恢復的功能。傳統(tǒng)工業(yè)自動化逐漸融入計算機技術，慢慢呈現(xiàn)出智能化的特征，而背后的通信網(wǎng)絡技術也在相應的不斷發(fā)展。

互聯(lián)網(wǎng)絡為大家眾所周知，而工業(yè)網(wǎng)絡則更加行業(yè)化。盡管隨著工業(yè)網(wǎng)絡的發(fā)展，如與以太網(wǎng)技術的結合，已經開始模糊工業(yè)網(wǎng)絡和傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡之間的界限，但在其核心，它們面向的對象不同，有著不同的需求。最本質的區(qū)別是，工業(yè)網(wǎng)絡以某種形式連接到物理設備，并用于控制和監(jiān)控實體設備的行為和執(zhí)行條件[1]。這導致了對一套不同于互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的服務質量（QoS）的要求，比如對強確定性和實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。參考相關資料，總結了工業(yè)網(wǎng)絡與傳統(tǒng)以太網(wǎng)的多方面要求及典型差異[2]。具體見表1，下面將詳細分析介紹。

表1 工業(yè)網(wǎng)絡和傳統(tǒng)網(wǎng)絡之間的典型差異Table 1 Typical differences between industrial networks and traditional networks

在應用方面，工業(yè)網(wǎng)絡應用于許多工業(yè)領域，包括制造、電力、能源等，幾乎在每一種需要對實體設備進行監(jiān)視和控制的情況下，都會以某種形式安裝工業(yè)網(wǎng)絡。每個行業(yè)都有自己的一套稍有不同但通常相似的需求，可以大致分為以下幾個領域：離散制造、過程控制、運輸和嵌入式系統(tǒng)[3]。

在架構方面，工業(yè)網(wǎng)絡通常比傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡具有更深層次的架構。例如，一個企業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)絡由局域網(wǎng)組成，局域網(wǎng)絡由主干網(wǎng)或廣域網(wǎng)對外連接。然而，一個小型工業(yè)網(wǎng)絡也傾向于有3層或4層乃至更多的層次結構，包括儀器儀表設備現(xiàn)場層、儀器與控制器連接、控制器互連的控制層，人機接口（HMI）和過程監(jiān)控的監(jiān)控層，生產管理網(wǎng)絡的生產管理層，企業(yè)進行管理網(wǎng)絡的企業(yè)管理層等。不同的協(xié)議和物理介質經常在每一層中使用，彼此之間采用網(wǎng)關設備來實現(xiàn)通信。工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議和技術的改進，導致了典型工業(yè)層次結構的一些扁平化，重點包括在較高層的組合中。然而，為了保持與被控制設備的功能層次結構的相關獨立性，網(wǎng)絡架構通常不會盡可能地扁平化。例如，發(fā)電設施內的“電力設備孤島”將保留獨立的控制網(wǎng)絡，以便在機械和控制水平上保持單元序列之間的邏輯分離。

在故障嚴重程度方面，由于工業(yè)控制網(wǎng)絡與物理設備相連，系統(tǒng)故障的影響要比互聯(lián)網(wǎng)領域嚴重得多。工業(yè)網(wǎng)絡故障的各種影響，包括設備損壞、生產損失、環(huán)境破壞、聲譽損失，甚至生命損失[1]。

在實時性方面，流程和設備運行的速度要求數(shù)據(jù)傳輸、處理和響應盡可能接近、及時。一般的規(guī)則是響應時間應該小于收集數(shù)據(jù)的采樣時間，特別是在閉環(huán)系統(tǒng)的情況下，信息傳遞的延遲會嚴重影響控制回路的性能?；ヂ?lián)網(wǎng)絡往往沒有任何響應時間要求，即使有，通常也在幾十毫秒或更確切地說是幾秒的范圍內[4,5]。工業(yè)自動化網(wǎng)絡的層次越高，對時間的要求就越低，在最高層次上就開始類似于互聯(lián)網(wǎng)絡。

在確定性方面，在工業(yè)網(wǎng)絡的最底層使用的數(shù)據(jù)不僅必須實時傳輸，而且必須以可預測的或確定性的方式進行。為了使網(wǎng)絡具有確定性，它必須能夠預測何時會收到對傳輸?shù)膽?。這意味著信號的延遲必須是有界的，并且具有低方差信號。響應時間的變化通常稱為時間抖動，由于時間上的變化對控制回路有負面影響，因而高實時、高可靠控制網(wǎng)絡需要低抖動。

在數(shù)據(jù)量方面，工業(yè)網(wǎng)絡中傳輸?shù)男畔⒍x為控制信息、診斷信息和安全信息[6]。控制信息在儀表和控制器之間發(fā)送，是控制器中實現(xiàn)的控制回路的輸入或輸出，如包括執(zhí)行器位置、流體流量及驅動速度。診斷信息是由控制系統(tǒng)進行自我收集反饋，這種信息通常用于監(jiān)測工廠設備的健康狀況，例如設備負荷率、溫度。安全信息用于實現(xiàn)關鍵功能，如設備的安全關閉和保護電路的運行。在工業(yè)級傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包通常非常小，特別是在低級別的架構，可能只需要傳輸一個模擬量值或開關量值，以及一些系統(tǒng)開銷信息。這樣的傳輸通常只有幾個字節(jié)大小，例如單個二進制狀態(tài)或16位值的傳輸。另一方面，互聯(lián)網(wǎng)絡經常傳輸千字節(jié)或更多的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包大小至少從64字節(jié)開始。這種差異需要在網(wǎng)絡協(xié)議棧中使用不同的協(xié)議，主要集中在較小數(shù)據(jù)包的傳輸上。

在周期性方面，工業(yè)網(wǎng)絡既需要周期性采樣數(shù)據(jù)的傳輸，也需要非周期性事件的傳輸，如狀態(tài)或報警條件的變化。如上所述，這些信號必須在設定的時間段內傳輸。根據(jù)控制要求，不同設備采集和傳輸數(shù)據(jù)的采樣周期可能不同。針對隨時可能出現(xiàn)非周期性數(shù)據(jù)，為了方便此類傳輸，在工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議中較低的層次上研制了基于時鐘和總線競爭的通信協(xié)議，以確保所有數(shù)據(jù)都能及時傳輸，而在互聯(lián)網(wǎng)絡中不存在這樣的考慮。在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)傳輸是“盡最大努力”實現(xiàn)的，在數(shù)據(jù)傳輸之前可能涉及隨機延遲。

在一致性方面，在工業(yè)網(wǎng)絡中，需要確定傳輸發(fā)生的時間和網(wǎng)絡中事件的順序，特別是在非周期性傳輸?shù)那闆r下。通常這是通過使用時間戳和同步時鐘實現(xiàn)的，而不是采用通用協(xié)議實現(xiàn)的。

工業(yè)網(wǎng)絡由專門的組件和應用程序組成，如可編程邏輯控制器（PLC）、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）和分布式控制系統(tǒng)（DCS）。工業(yè)網(wǎng)絡主要關心的是這些組件和系統(tǒng)內部以及它們之間的通信。工業(yè)網(wǎng)絡的核心由現(xiàn)場總線協(xié)議組成，在IEC61158中定義為“用于與工業(yè)控制和儀表設備（包括但不限于傳感器、執(zhí)行器和本地控制器）通信的數(shù)字、串行、多點、數(shù)據(jù)總線”。工業(yè)控制網(wǎng)絡可以分為3代不同的、具有不同兼容性水平的網(wǎng)絡[7]。第一種是傳統(tǒng)的基于串行的現(xiàn)場總線協(xié)議，這類總線協(xié)議種類繁多，由諸多研究機構自研，具備特定的應用范圍等；第二種是基于以太網(wǎng)的協(xié)議；最新一代已經開始包含無線通信技術。以太網(wǎng)技術的結合，使得曾經截然不同的現(xiàn)場總線和互聯(lián)網(wǎng)技術越來越相似。這就產生了新的術語，如工業(yè)控制網(wǎng)絡，它不僅包括傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的功能和要求，而且還包括基于以太網(wǎng)系統(tǒng)提供的附加功能和要求。

1.2 現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線系統(tǒng)的幾個前身早在20世紀70年代就開始研制，許多現(xiàn)場總線是并行開發(fā)的，分布于科研機構和不同的控制系統(tǒng)供應商，以滿足不同行業(yè)的不同用戶定義的需求。后來私有總線協(xié)議逐漸被開放協(xié)議所取代，協(xié)議的標準化提高了總線協(xié)議的可靠性和穩(wěn)定性。

IEC最終公布了IEC61158中所有現(xiàn)有的標準，由于該標準繁雜冗余，緊接著推出IEC61784做出了說明。其中，唯一由IEC開發(fā)的部分是61158-2，它定義了物理層，并被大多數(shù)提供安全設計的現(xiàn)場總線所采用。以

太網(wǎng)作為TCP/IP和用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議（UDP）棧的一部分，最初在工業(yè)領域沒有得到太多人的接受。隨著以太網(wǎng)技術的發(fā)展，使其更適合于工業(yè)用途，特別是新的以太網(wǎng)標準（如802.3u快速以太網(wǎng)）增加的數(shù)據(jù)速率使創(chuàng)建實時以太網(wǎng)協(xié)議變得更容易。根本原由在于傳輸和重傳時間大大縮短，實時需求可以通過多種方法來實現(xiàn)[8]。于是誕生了許多現(xiàn)場總線技術，包括CAN、HAPT、PROFIBUS、Ethernet/IP、基 金 會 現(xiàn) 場 總 線FF、MODBUS/TCP、EtherCAT等諸多現(xiàn)場總線。

1.3 通信協(xié)議

工業(yè)通信協(xié)議的發(fā)展是由于終端用戶的要求，以及適應工業(yè)環(huán)境的新技術的出現(xiàn)而開始的，由國際標準組織（ISO）創(chuàng)建的開放系統(tǒng)互連（OSI）7層模型，包括物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、表示層、會話層和應用層。每一層都描述了將信息從一個應用程序發(fā)送到另一個應用程序所需的服務，以及層之間的接口，幫助定義和創(chuàng)建了通信協(xié)議和服務，實現(xiàn)標準的互連。常用的通信協(xié)議如下：

1）CANopen

CANopen是用于自動化的CAN的高水平擴展，被移交給自動化組織，該組織現(xiàn)在管理該協(xié)議。CANopen在歐洲EN50325標準和其他基于CAN的協(xié)議中被定義，CANopen標準為特定的實現(xiàn)，定義了廣泛的應用配置文件，如運動控制等。

2）EtherNet/IP

該協(xié)議是在TCP/IP之上，結合通用工業(yè)協(xié)議（Common Industrial Protocol， 簡 稱CIP） 作 為應用層實現(xiàn)，是面向工業(yè)自動化應用的工業(yè)應用層協(xié)議，在IEC61784-1中被定義。它最初由羅克韋爾自動化開發(fā)，由開放式設備網(wǎng)絡供應商協(xié)會（Open DeviceNet Vendor Association，簡 稱ODVA）和 其 他CIP現(xiàn) 場總線維護。CIP應用層的使用允許3個現(xiàn)場總線之間的緊密集成，并且可以通過網(wǎng)關設備實現(xiàn)它們之間的通信。盡管不是嚴格的確定性，Ethernet/IP通過使用優(yōu)先消息和使用IEEE1588協(xié)議的時鐘同步提供實時性能。這些考慮與全雙工交換體系結構相結合，可以防止由于沖突造成的延遲，網(wǎng)絡中的操作基于計劃的計時而不是實際的計時，以抵消在網(wǎng)絡棧中遇到的延遲[8]。

3）PROFIBUS

由于西門子對PROFIBUS的認可，PROFIBUS可以說是最著名和應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。PROFIBUS由多個德國公司和機構聯(lián)合開發(fā)而成，是最早創(chuàng)建的現(xiàn)場總線之一。最初由不同的區(qū)域組織管理，這些組織聯(lián)合起來組成了PROFIBUS國際組織，現(xiàn)在負責維護EN 50170、IEC 61158和IEC 61784中定義的標準。在PROFIBUS中，定義了不同的配置文件，每個配置文件適用于不同的應用程序。

4）其他現(xiàn)場總線協(xié)議

目前，被IEC采納并被添加到61158和61784標準中的總線協(xié)議越來越多，工業(yè)領域較為知名的協(xié)議包括：Ethernet Powerlink（EPL）、EtherNet/IP、Profinet、EtherCAT、EPA等工業(yè)實時以太網(wǎng)協(xié)議[9]。

從工業(yè)網(wǎng)絡技術特征和發(fā)展歷程不難看出，重點是針對工業(yè)應用場景的需求，實現(xiàn)與保障現(xiàn)場業(yè)務系統(tǒng)之間的通信與數(shù)據(jù)傳輸，而針對工業(yè)網(wǎng)絡和業(yè)務數(shù)據(jù)的安全性，在設計之初并未重點考慮。

2 工業(yè)網(wǎng)絡技術信息安全研究

隨著工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造等概念的提出，現(xiàn)場工業(yè)系統(tǒng)也逐漸融合工業(yè)控制技術和信息通信技術。針對不同的工業(yè)應用場景需求，新的技術理念不斷出現(xiàn)，但是出現(xiàn)信息泄露與篡改的風險也越來越大。而國家頒布的等保2.0、關鍵基礎設施保護條例等標準法規(guī)逐漸落地，工業(yè)領域作為國家關鍵基礎設施領域，其對應的信息安全防護水平也應隨之提高。

2.1 工業(yè)信息安全保護目標與必要性分析

由于工業(yè)網(wǎng)絡中使用的技術越來越多的重疊，因而工業(yè)網(wǎng)絡中的安全與互聯(lián)網(wǎng)絡中的安全非常相似。雖然這兩個網(wǎng)絡都存在許多相同的威脅，但工業(yè)網(wǎng)絡的額外需求和考慮因素意味著安全性可能往往更難以實現(xiàn)。網(wǎng)絡安全的目標是提供機密性、信息的完整性、可用性、身份驗證、授權、可審核性、不可公開性，以及來自第三方保護[11]。這些特性的缺失或丟失，可能會導致網(wǎng)絡出現(xiàn)故障。

前文已述，工業(yè)網(wǎng)絡的故障會產生嚴重的影響。這種故障可能是偶然的，也可能是由惡意造成的，這些故障的預防分別由可靠性和安全性來提供。如果網(wǎng)絡本身不能或沒有通過其自身的可靠性考慮來解決這些缺陷，則必須采取額外的措施來防止訪問這些缺陷，并提高系統(tǒng)的安全性，確保工業(yè)網(wǎng)絡安全已成為確保國家關鍵基礎設施安全的先決條件。

2.2 通信與密碼技術融合難點與實現(xiàn)方案

隨著中國國密算法推出及逐漸得到國際認可，采用國家商用密碼算法（如SM系列）是互聯(lián)網(wǎng)絡中保護通信安全的核心部分，因為它們可以提供數(shù)據(jù)保密性、完整性和身份驗證功能。傳統(tǒng)網(wǎng)絡設備的使用，意味著許多已建立的技術，如IPsec和SSL協(xié)議，可以在更高的層次上使用。然而，控制設備的性質使得在較低級別實現(xiàn)安全特性存在實施困難的問題。工業(yè)設備的生命周期通常比企業(yè)網(wǎng)絡長得多，對可靠性的要求也高得多。因此，工業(yè)網(wǎng)絡設備中使用的技術通常必須是成熟的，經過了多層次驗證后的。此外，底層工業(yè)協(xié)議的局限性設計也給安全的實現(xiàn)帶來了困難。許多協(xié)議的低數(shù)據(jù)傳輸速率，意味著它們將受到安全通信所需的額外開銷的不利影響。傳統(tǒng)的安全協(xié)議，如IP sec、SSL和VPN，在工業(yè)自動化網(wǎng)終中并不實用，因為它們缺乏對多播和廣播傳輸?shù)闹С諿12]。在工業(yè)網(wǎng)絡中使用密碼算法時，密鑰分發(fā)也存在問題，因為成千上萬的設備可能需要密鑰。許多密鑰分配方法的設想都涉及到設備調試期間的人工干預，而沒有考慮密鑰的壽命。密鑰的長度和使用的算法決定了解密敏感信息所需的時間長度，這兩者通常與要保護的數(shù)據(jù)的預期生存周期相匹配。

分析國家商用密碼算法使用標準要求，總結SM2/3/4算法主要應用側重點如圖1所示。在底層使用密碼算法與通信協(xié)議進行融合，針對數(shù)據(jù)保密性、數(shù)據(jù)防篡改、身份鑒別等方面的信息安全要求，采用SM3+SM4實現(xiàn)數(shù)據(jù)保密性要求，SM2+SM4實現(xiàn)他方身份鑒別功能要求，SM2+SM3實現(xiàn)數(shù)據(jù)防篡改的功能要求?；谝陨希瑯嫿ㄡ槍I(yè)控制系統(tǒng)安全通信網(wǎng)絡的主動防御技術框架，保障整個通信網(wǎng)絡的可信性。針對實時性問題，一方面可以采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，簡稱FPGA）并行技術代替CPU進行對稱密碼算法運算，實現(xiàn)數(shù)據(jù)硬件快速加解密。同時，在滿足系統(tǒng)功耗、內存余量的前提下，可以考慮將對稱密碼算法的運算步驟進行提前運算，將每步運算結果提前存儲于控制器內存中，綜合生成表格，在運算時只需查表即可，從而減少時延。通過以上兩方面技術的結合，可大幅度減少密碼算法帶來的時延，提高密碼算法在通信技術的適用性。

圖1 國密算法應用Fig.1 National secret algorithm application

密鑰管理這塊，可以采取關鍵區(qū)域密碼分發(fā)更新策略，設備彼此根據(jù)預定的策略通過交互完成密鑰生成、更新。針對非關鍵設備，密鑰可以在設計之初將密鑰分散存儲于固件內，在運維的周期內考慮不更新或長周期交互更新操作。

2.3 協(xié)議和設備的漏洞防護

目前，備受關注的研究領域是現(xiàn)有協(xié)議和設備的漏洞識別，以及分析現(xiàn)有網(wǎng)絡以檢測和減少漏洞的方法[13,14]。這種分析對于制定有效的安全政策是至關重要的，而這往往是成功地確保網(wǎng)絡安全的最困難的方面之一，安全策略的創(chuàng)建不僅需要對設備和協(xié)議進行仔細的分析，解決已識別的漏洞的方法，也必須與執(zhí)行的成本和實用性相平衡，同時建立相關設備漏洞庫也是必要的。

通用通信協(xié)議并未重點考慮信息安全問題，如MODBUS/TCP端口固定、功能碼固定、明文傳輸?shù)?，因此在工控系統(tǒng)設計之初，可以采用基于“白名單”思想，為控制系統(tǒng)中的通信收發(fā)方設定“白名單”，彼此只需響應名單中的內容，名單內容包含IP地址白名單、功能碼白名單、IP/MAC綁定等內容，同時旁路設定網(wǎng)絡流量監(jiān)測設備，防御如拒絕服務類似的信息安全攻擊。

針對通信設備的固有漏洞，考慮到優(yōu)先保障功能安全，信息安全設計不占用太多的系統(tǒng)資源，低層級的控制設備的內生安全技術是未來保障設備和通信網(wǎng)絡信息安全的基石，而國內提出的可信計算3.0技術有助于解決此類問題[15-25]。具體如圖2所示，基于硬件可信根（TCM），實現(xiàn)從系統(tǒng)引導程序到操作系統(tǒng)內核，最后到應用層的主動完整性度量，保障通信設備的可信性，有效避免系統(tǒng)漏洞威脅。

圖2 主動可信度量Fig.2 Active credibility measurement

2.4 信息安全與功能安全協(xié)調要求

最后，信息安全實現(xiàn)不應該干擾人員或設備的運行操作。在信息安全保障過程中，需要平衡功能安全與信息安全（簡稱“兩安”）在資源占用、措施沖突、實時響應時間這一系列層面的沖突問題，進行“兩安”協(xié)同設計，保障工業(yè)業(yè)務系統(tǒng)的正常運行。

3 結論

工業(yè)網(wǎng)絡對控制現(xiàn)場物理設備的工業(yè)運作至關重要。自從第一個現(xiàn)場總線協(xié)議出現(xiàn)以來，工業(yè)網(wǎng)絡已經得到廣泛實施與運用，并在更大程度上被用于滿足各種各樣的控制、安全和工廠監(jiān)控要求。

這里對工業(yè)網(wǎng)絡技術進行了系統(tǒng)性的綜述。首先，對比了傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡的特點，重點分析了工業(yè)通信網(wǎng)絡的特征；然后，介紹了主流的現(xiàn)場總線和通信協(xié)議相關內容；最后，就工業(yè)網(wǎng)絡發(fā)展趨勢中的工業(yè)網(wǎng)絡信息安全問題進行了探討，指出了對應的痛點，提出了對應的解決技術點。