IT/OT深度融合进程中，如何搭建符合工业4.0标准的网络架构

在工业4.0时代，随着工业智能化的迭代速度加快，现如今，企业引入工业物联网、边缘计算等新兴技术，已经是一件稀松平常的事。

多年来，以太网技术的广泛应用，为企业在整个生产体系中夯实工业网络基础，创造了极佳的条件。

那么，企业如何搭建一个符合工业4.0标准的网络架构？在IT/OT深度融合的进程中，在业界热门的TSN（时间敏感网络）技术扮演着什么角色？如何保障工厂各个层级网络数据的安全呢？

请看百通赫思曼网络系统国际贸易（上海）有限公司亚太区产品市场高级顾问阮逸宸，在2022（第十一届）全球自动化和制造主题峰会上的演讲。

01工业智能化的进程

从18世纪起，工业智能化一直在源源不断更迭。从60年代的蒸汽动力、机械化，到19世纪末的电气化和大规模生产，再到20世纪60年代起的工业3.0，以及我们正在经历的工业4.0，当然，未来很有可能的工业5.0、人机协作。

说起工业3.0到工业4.0的转型，一定会提到物联网和工业物联网。物联网在工业领域的应用，使得工业物联网浮出水面。不论是预测和预防性的传感器，还是工业机器人，都可以通过联网提升生产效率。通过运用机器对机器的学习和通讯，和其他大数据技术，工业物联网已经让企业的运营效率、可靠性得到了显著提升。当然，工业物联网也让数字化转型成为可能，并在工业生态体系革命中发挥着关键作用。

我们可以将工业4.0，视为工业和计算互相融合的趋势，这一概念的核心是利用网络系统和工业物联网、云计算、人工智能、大数据学习和其他相关技术，对硬件设备和智能化的过程，以进行更好的控制，显著提高生产效率。

02工业4.0的构建模块

现如今，数字化正在深入每一个行业，工业领域也顺应着这一技术升级的趋势，加入了潮流当中，逐步引入如工业物联网、边缘计算、智慧工厂、智能电网等新概念和新技术。正因如此，每一个层级的网络基础设施的通讯都必须无缝连接，关键则在于各设备间可以进行可靠的通信和稳定的信号传输。

如今，工业生态体系正从基于专有网络通讯协议的现场总线技术，转向标准网络，如以太网和基于802.11的WiFi和IP协议，在工业生产体系中部署标准化、融合和安全的网络，为使用工业物联网奠定了坚实基础。

▲工业自动化架构

在制造业中，数字化转型代表着从入库到出库供应链的自动化，对于像石油和天然气这类行业，则可能要从开采精炼到分销，整条价值链上都需要实现自动化。虽然供应商的设备不同，应用规格等都会因为设施而产生差异，但是大多数标准的布线连接核心网络，还有安全标准，仍然可以参考这个架构。

在这其中，数据是实现一切的基础，而在今天的大多数工厂中，数据仍然处于孤立的不可访问的孤岛中。为打破孤立，IT和OT融合的概念应运而生。而合理的IT/OT融合，也并非是创建一个大型的扁平网络，而是一个受保护的、只允许适当数据流的网络，而选择性的共享是有效和安全网络的关键。

当然，要打通信息孤岛的基础，并不是硬件和网络的融合就可以解决。还有一个因素，那就是人。负责不同区域和网络的团队，在接纳对方的过程中，总会伴随着适应和调整。

▲IT/OT融合的基础

尽管两个群体之间存在着很多差异，但是他们也有可能是走向融合的，让有效的问题得到解答，明确的决策制定原因，以及正确理解缩略词和术语的含义，诚实和开放，在其中发挥了重要的作用。

03 TSN使IT/OT融合成为可能

企业在满足了不同团队充分磨合的基本条件后，第二个能使IT/OT融合的关键就是TSN（时间敏感网络）。TSN是一套在实现网络层面确定性数据传输的协议标准，它能够允许信息在公共基础架构上，跨IT和OT不同的网络进行传输，且不会影响性能或时效性。

▲TSN使IT/OT融合成为可能

通过基于时间定义队列，TSN可确保通过交换网络的流量具有有限的最大延迟。因此TSN是满足工业4.0诸多需求的基础。通过TSN从工厂车间到云端、前台或是其中的任何地方，整个工厂的所有数据均可共存和通讯。TSN将基于以太网数据传输的确定性，提升了一个级别，这也是传统以太网技术所无法达到的。

TSN是IEEE802.1 TSN工作组开发的一系列数据链路层协议规范的统称，用于指导和开发低延时、低抖动并具有传输时间确定性的以太网局域网，是传统以太网在一些特定应用环境下的增强功能的实现。

当前已经发布的TSN系列规范，可大概分为4个部分：时间同步、调度延时、可靠性和资源管理：

时间同步

规范基于数据链路层，进行以交换机为关键节点的时钟同步机制的实现，主要来自于IEEE1588时间同步协议的简化版本，更适用于实时性精度要求较高的通信传输场景。

调度延时

在交换机多个输出队列的严格优先级模式下，利用门循环列表GCL（Gate Control List）来控制每个队列的开关时间窗口，来实现时间感知整形器TAS的功能；GCL通常有8~16组，可通过灵活配置，来实现不同延时需求的调度规则集合，进而对应不同优先级帧的最大传输延时保证，来实现传输延时确定性和带宽的稳定性。

可靠性

相比传统的通信错误恢复机制，能够在正常通信链路发生错误时，利用在冗余路径中的实时数据保证通信不间断，可以非常好地满足高实时高可靠性的应用场景。

资源管理

规范类似于网络管理之类的协议和配置格式的一些规定，适合于灵活组网、易于维护的一些应用环境。

04 工业4.0的网络构架

不同层级中时间敏感网络的重要性，在工业4.0中起着不可忽视的作用：

0，1的现场层，常用的设备有生产机器、IO模块、网关、工业AP、工业接入级交换机；

第二层控制层级，常见有PLC、工业级汇聚交换机；

第三层监控层级也被称为SCADA级别，一般会在这个层面使用核心骨干交换机，部署SCADA系统以及人机界面；

3.5层生产网络隔离层，主要作用是将对网络的需求是低延时性和高可靠性的工业网络，和主要的需求在于网络高速率，可拓展性的IT网络相融合，且既要保证特定的信息能够再两个网络之间流通，也要保证工业网络不会受到来自IT网络的外界入侵，同时还要满足管理人员对网络的监控和管理。

第四层是IT办公室网络，包括无线AP，笔记本电脑，摄像头等。最后的第五层就来到了互联网和云。

其中，工业OT网络的基础设施和应用都在控制层级。控制层级负责对设备的基本控制，由控制器组成、指挥和操纵自动化过程，主要与现场层级接口。在离散环境中，通常采用PLC，而在过程自动化环境中会采用DCS。

PLC、DCS与现场和监控级设备之间的通信，通常基于以太网技术。在这个层级所用到的以太网通信设备，所处的环境可能存在的极端温差、频繁的震动/冲击以及高湿度的情况，所以设备需符合工业安全标准，支持相应的工业协议，不仅坚固可靠，还需易于使用、易于安装。

在监控层级，也就是SCADA系统所在的层级，是任务关键型OT网络的一部分。在该网络中，实时性和高可用性是必要条件。该级别需要设备能够抵御恶劣的环境条件，高容错性以及网络安全。

关于高容错性，就不得不提到工业标准IEC62439，在这套标准所提供的的冗余协议有RSTP快速生成树协议、MRP介质冗余协议、PRP并行冗余协议，还有HSR高可用性无缝环网。

这些冗余协议，也是为何在这个层级必须使用工业通信设备的主要原因之一。它们能够保证OT网络的低延时，高稳定性，保证生产设备不会因为网络故障而停机，从而避免动辄千万的经济损失，这是一般商业设备所无法企及的。

此外，在IT/OT融合基础之上还需要保证不同网络融合的安全性。生产网络隔离层，也叫缓冲区，这一层的功能是保证可信网络（工业网络）和不可行网络（企业网络）数据的安全。

近年来，工业自动化与控制系统（IACS）所遭受的网络攻击日益增多。例如在2010年，Stuxnet蠕虫攻击了伊朗的铀浓缩设施，2015年Black Energy 恶意软件攻击了乌克兰电网。这一连串的网络攻击表明，IACS本身的基本安全保障是非常缺乏的，一旦链接了IT网络，等于是将工业区完全暴露在危险之中。

所以在这一层，需要使用商业级和工业级两种防火墙，在入口和出口同时提供网络安全保障。由于两种防火墙的职责和访问权限不同，一个防火墙中配置的错误规则不会传播到另一个防火墙，从而能够降低风险并提高恢复能力。

另外，3.5层的出现，能够帮助网络管理员，更全面地监控整个OT网络，即使是多供应商环境中的网络和服务器组件，也可通过使用网络管理软件管理并监视。为网络提供实时保护和快速故障响应，实现及时修复、优化设备正常运行时间和安全性外，这层还肩负了无线终端和移动终端的接入，以及安全远程访问的功能，拓展了OT网络的区域的限制。

IT/OT融合是工业自动化的新趋势，在现代数字化工业自动化网络中，发挥着至关重要的作用。在不断发展自动化领域，数字化正进入工厂车间，使更多的设备相互通讯，企业网层级以更加先进和透明的方式，连接MES和SCADA系统，为OT网络提供更多的数据采集、分析和监控机会。

企业网层级的网络中，包含工业自动化从工业3.0向工业4.0数字化转型所需的关键资产。关键的通信组件包括服务器农场，虚拟或者本地云、服务器、分布式存储和操作服务器。当然除了储存者外，该层级还具有网络安全和网络访问控制的能力。

在这一层级，所接入的交换机和网络设备数量剧增，相应的需要使用到商业级核心交换机，和商业级新一代防火墙作为网络硬件，搭配相应登录管理安全软件提供了全方位的性能和安全保障。

IT/OT的融合看似非常复杂，但并非想象中的不可完成。百通赫思曼作为一个熟知IT和OT双重领域的专家，我们可以帮助您客服IT/OT融合中所遇到的专业问题，让您的企业在现在以及未来的智能化革新中紧跟潮流。

编辑：黄飞