瓶颈相继突破 工业以太网络后势看涨

DIGITIMES企划

随着市场与技术的快速扩展，工业以太网络已成全球自动化的标准通讯技术之一，虽然现场汇流排类似PROFIBUS、Modbus和ControlNet仍然随处可见，但其重要性随着工业以太网络的普及快速降低，工业以太网络为使用者提供了更高的效率、更多的功能和更强大的兼容性，这使得从管理级到现场层的通讯数据有了统一标准，在界面兼容的情况下，只要是使用Web Based的设备，都轻易连上网络，浏览或使用相关数据。

工业以太网络的网安问题

目前工业以太网络最主要的使用在管理层和控制层，藉由特殊的实时以太网络技术，在运动控制应用中，可以满足回应时间少于1毫秒的应用要求，因此以太网络技术在工业领域中，以往被诟病的实时性问题，已被视为获得解决。

在网安方面，这几年工业以太网络的安全协定也纷纷制定完成，例如：Profinet的Profisafe、基于EtherNet/IP的CIPSafety都已开始有实际应用，目前在制造现场应用中，由于大型自动化厂商所使用的自动以太网络应用协定，像是EtherNet/IP、Profinet或Modbus/TCP，这些协定都支持标准的TCP/IP，因此标准的工业以太网络交换器也开始导入。

安全层级部分，工业以太网络可使管理级到现场级的数据传输规格一致，使用者只需要掌握单一网络技术即可互连，然而标准化网络结构也因其透明度而带来风险，例如生产线中的机器手臂，IP位址可能被其他工作站操作，在此情况下，必须有明确规则来定义通讯的时间和物件。

目前部分厂商的作法，是在网络出口端安置防火墙来抵制外部攻击，然而这远远不够，致命性错误甚至停机事故，往往来自内部的错误操作，因此分散式安全体系在自动化领域非常重要，唯有如此整个系统或系统部件可以被分割成各个独立安全单元，各个安全的单元之间通过各自定义的规则来互连。

需求刺激带宽成长

对工业应用来说，网络带宽的要求愈来愈高，特别是在控制层，高速以太网络(100Mbit/s)已成主流之一，不过在商用环境中，Gigabit Ethernet应用逐渐普及，尤其在物联网概念下，以太网络势必被积极导入，其原因可以归纳为三点：

1、愈来愈多的现场设备通过以太网络连接，随着设备数量的增加，带宽需求也会同步成长。

2、网络功能与服务项目快速成长，如控制数据，IP电话或IP影音通讯日益普及，这些服务都会在同一缆在线传输，对带宽要求会愈来愈高。

3、Gigabit Ethernet有10倍于高速以太网络的交换能力，许多实时的应用可以在标准的Gigabit Ethernet环境中实现，不过与无线解决方案面临的问题一样，更高的传输速率意味着高功率的消耗和高成本芯片，但是随着芯片成本的降低，Gigabit Ethernet将会在工业环境中日益普及。

另外一个趋势则是QoS的强化，以太网络应用经过10几年的发展，新业务和新应用的不断出现意味着更多网络资源的耗费，仅仅保证高带宽已经无法满足应用的要求，如何保证网络应用端到端的QoS成为现今以太网络面临的最大挑战，采用传统的建网模式已经无法满足应用的QoS要求，网络应用迫切需要设备对QoS的支持向边缘和接入层次发展，在过去，网络中高QoS意味着高价格，但随着ASIC技术的发展，使终端设备具备强大的QoS能力成为可能。

管理更智能  整合速度加快

管理维修方面，以太网络工业领域的应用也会有大幅进展，接取层设备由于价格低廉、对制造业者提供了更方便的管理方式，而在Web的管理界面下，网络维护管理变得更加人性化。

对大型制造业者来说，由于接取层设备数量众多、维护工作量巨大，因此对设备提供统一管理与维修的手段需求殷切，采用Web统一界面，可使管理更为简洁，例如透过制造执行系统(Manufacturing Execution System；MES)的制具管理功能，让各设备的维修时间与状况可透明化呈现在Web界面上，藉以提升管理效能。

至于在用户管理功能部分也更加完善，尽管以太网络在区域网络已成网络的主流技术，但在工业应用中仍有部分难题待解，例如网络中缺少使用者管理的机制、网络攻击频频发生等，因此用户管理概念被快速导入到工业以太网络技术中，像是通过认证技术，限制唯有合法使用者才能进入网络，这方面常用的网络认证技术包括：VLAN+WEB认证和802.1x认证，多种认证技术的出现，使以太网络的使用者管理更上层楼，尤其在制造环境中，使用者的管理将更为重要，例如成品瑕疵的制程追溯，就可藉由使用者的登入数据回溯查询。

交换器和路由器的融合也是趋势之一，交换器技术和路由器技术在网络发展上一直处于并行发展的状态，一般的使用习惯是将交换器视为区域网络技术的一种设备，只有在区域网络上，才会考虑使用交换器，如果要与广域网络互连，那就是路由器的事情，实际上，随着ASIC技术和网络处理器的不断发展成熟和网络逐渐被IP技术所统一，以太网络交换器技术已经走出了当年「桥接」设备的框架，路由器中所具有的丰富的网络界面，在目前交换器上已经可以使用，路由器中拥有丰富的路由式通讯协定，在交换器中也得到大量的具体应用；路由器中具有的大容量路由表在交换器中目前也可以采用。

智能工厂的支柱

就目前发展来看，以太网络在工业领域的发展前景十分乐观，然而却也并非毫无缺陷，在技术端，目前工业以太网络在兼容性部分尚待解决，多数人会认为以太网络技术是统一标准，应不致有兼容性问题，其实以太网络虽然标准统一，不过在通讯协定(TCP/IP)方面，各厂商会依据自身产品而有不同设定，如果是异系统整合，就会出现兼容问题，要解决此问题，可在系统整合前告知设备厂商，或直接挑选系统兼容性高的产品。

目前所指的以太网络实际上都是指基于TCP/IP协议的以太网络，过去以生产PLC为主的公司都使用以太网络作为通讯技术，其中，西门子将以太网络应用到现场生产端，并有向下层通讯的趋势，如今以太网络已广泛应用于工业控制系统的监控网络，这种完全以工业以太网络为基础的控制系统，其工厂级、监控级和现场级均采用基于TCP/P通讯协议的工业以太网络，配备Web server功能，这种趋势愈来愈明显。

根据业界预测，正如当年工业电脑进入工业自动化领域一样，以太网络将会快速导入工业控制，将生产端的产线制造网络、仪表、设备网络与上层管理阶层构成畅通的透明网络，并与WEB功能相结合，与工厂的电子商务、物资供应链和ERP等形成整体，达到真正智能工厂的愿景。