支援TSN/PoE/安全防護　網管型交換器靈活配置工業網路(1)

2024-02-29

Jeff Shepard

工業物聯網(IIoT)的眾多裝置都需要安全、即時且大頻寬的連線，也需要以高效靈活的方式來向裝置供應電力。新一代的網管型乙太網路交換器能夠滿足上述需求，透過遠端配置和控制簡化網路部署和更新。

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工業物聯網(IIoT)的眾多裝置都需要安全、即時且大頻寬的連線。工業4.0自動化、水管理、石油天然氣加工、運輸、市電管理以及類似關鍵應用中的IIoT網路，也需要具備以高效靈活的方式來向裝置供應電力，且需要具有高連接埠密度的連接解決方案，以在最小的空間內支援大量裝置。新一代的網管型乙太網路交換器能夠滿足上述需求，甚至提供更多優化性能。

網管型乙太網路交換器可以進行遠端配置和控制，進而簡化網路部署和更新。此類交換器可促成多種網路架構，如具有備援操作的星狀和線狀拓撲，更具有IEC 62439-1標準合規性，該標準應用於高可用性的自動化網路。網管型乙太網路交換器可支援時效型網路(TSN)的IEEE 802.1標準，以及用於乙太網路供電(PoE)和PoE+的IEEE 802.3標準。

這些交換器已通過ISASecure計畫認證，可用於以國際自動化學會/國際電工協會(ISA/IEC) 62443系列標準為基礎所打造的現成自動化和控制系統。交換器可進行配置，搭配10/100BASE TX/RJ45插槽達到銅纜互連，並具有三速光纖小型可插拔(SFP)插槽，可調整速度包括每秒100Mb(Mbps)、每秒1Gb(Gbps)和每秒2.5Gbps。

本文首先將簡單介紹從工業3.0自動化金字塔(Automation Pyramid)向工業4.0自動化支柱(Automation Pillar)的轉型過程，接著回顧幾個網路部署選項，以因應緊急和非緊急流量，並考量TSN的實作方式。接著，將討論PoE和PoE+如何簡化對IIoT感測器、控制元件和其他裝置的供電，並且說明安全的重要性，包括ISASecure認證和進階安全功能，如線速存取控制清單(ACL)和自動阻斷服務(DoS)的防範。文章最後將說明使用網管型乙太網路交換器的優勢，並介紹相關產品作為範例。

從金字塔到支柱

從工業3.0的金字塔工廠架構轉向工業4.0的支柱架構，正是TSN發展的原動力。金字塔將工廠功能切分為階層結構，包括從廠區到集中式控制和管理的功能。通常主要是在廠區的最低階層才需要即時通訊，由感測器資料控制製造流程。這點在工業4.0中有所轉變。

工業4.0的自動化支柱將階層數量從四個減少至兩個：現場層(Field Level)和工廠骨幹(Factory Backbone)。現場層的感測器數量越來越多，控制器的種類也逐漸增加。有些控制器更從金字塔的控制/可程式邏輯控制器(PLC)層級向下移動至現場層級。與此同時，以前在控制/PLC層級的其他功能正向上移動至工廠骨幹，成為虛擬PLC，並且具有製造執行系統(MES)、監督控制和資料採集(SCADA)功能以及企業資源規畫(ERP)能力。

連接層可將現場和骨幹層級相連。連接層和現場層級的網路必須提供高速、低延遲的通訊，且能承載低優先順序流量和時間關鍵型流量的組合。TSN可在標準乙太網路上啟用即時確定性網路(DetNet)流量，因此可支援前述要求(圖1)。

圖1　從自動化金字塔轉型為自動化支柱架構，需要具備TSN能力的連接鏈路　(圖片來源：Belden)

三種TSN配置

IEEE 802.1乙太網路標準詳細說明了TSN的三種配置：集中式、去中心式(也稱為全分散式)，以及具有集中式網路和分散式使用者的混合式配置。在各種情況下，配置皆高度自動化，因此可簡化TSN的部署，且一開始會先識別網路中支援的TSN功能並啟動必要的功能。此時，發話端(Talker)發射裝置可傳送欲傳輸之資料流的相關資訊。三種作法的差異在於，在網路中針對裝置和資料流要求的處理方式有所不同。

在集中式配置中，發話端和收話端(Listener)會透過集中式使用者配置(CUC)邏輯裝置進行通訊。CUC會依據發話端和收話端的資訊建立資料流要求，並將此要求傳送到集中式網路配置(CNC)裝置。CNC將依據網路拓撲和資源可用性等因素，來判定下一個資料流的時槽，並將所需的配置資訊傳送到交換器(圖2)。