工业以太网的一点思考

当下,工业以太网可以说是以势不可挡的趋势在四处蔓延。所有重量级的工厂自动化设备供应商都推出了自己的工业以太网解决方案和丰富的产品。连很多客户都从质疑转变了殷切的期望。一个大一统的自动化通讯网络标准呼之欲出。在这种热闹的背后,我们是不是缺少一些冷静的思考——以太网存在已经几十年,为什么这样一种成熟的技术,现在才开始在工业界慢慢的转热呢?

在笔者看来,限制以太网在工业界大展拳脚的条件主要有以下这些

  • 通讯的实时性,工业界的设备实时通讯是必要特性。
  • 成本,包含设备、材料,以及设计、实施的总成本。
  • 统一的标准,无论各家的设备都可以自由的交换数据。
  • 必要性,真的有必要将工业设备连接到互联网(Internet, Intranet)中吗?

目前市面上现场级别的通讯总线,基本上架构于RS-485(MODBUS RTU, PROFIBUS, USS)和CAN(CANopen,DeviceNet)两种标准上。而这两种大有廉颇老矣的标准,却可以充分满足以上的要求,所以也屹立工业界多年不倒。

而以太网呢?

TCP/IP协议的设计并不是以实时通讯为基础所设计的。当我们点击desiyi.com上的链接的时候,并不能知道服务器什么时候能给出反应。在TCP/IP协议栈上,从链路层,IP层,TCP层到应用层,都没有太多考虑实时通讯。即便是后来考虑到实时数据传输(RTP),以及QoS(Quality of Service)管理中,TCP/IP也只能保证“尽可能”的让数据传输的实时性得到保证。所以,为了实现实时通讯这个工业通讯的第一要求,工业界不得不改造已经存在多年的以太网标准,从底层开始对协议进行修正来保证连接到这个网络的几千个设备能够高效的实时交换数据。而以往的现场总线中节点的数量则不过是几百个。

为了实现实时通讯,只有改造TCP/IP协议的底层,从硬件层面重新设计来保证部分关键流量的实施传输。目前市面上所有廉价的商用以太网设备都是无法支持这种从底层协议栈修改过的以太网通讯的。而这种专用硬件设备的要求,也就造成了设备成本的急剧增加。

所有IT技术所依赖的都是芯片。而芯片的价格则依赖于产量。现在我们能够享受到几十块钱的路由器和网络设备,正是因为此类设备所使用的通用网络处理器的产量综合是非常惊人的。每个安装宽带的家庭,其实来就是分担这部分制造成本的一部分。但,工业以太网如果使用专用硬件,所面对的挑战就是制造成本无法和民用网络一样具备价格优势。如果各个厂家都使用自己的硬件平台,其制造成本将更高。

这就引出了最关键的话题——统一的工业以太网标准。

目前,工业以太网已经不是以前PROFIBUS那样神秘的通讯协议了。我们在电视、新闻上看到的关于“物联网(Internet of Thing)”的报道,其实来就包含了工业以太网。只不过“物联网”的含义更加宽泛,不仅工业设备要联网,连家里的家电,农业机械,楼宇设备都要联起来。工业界的西门子罗克韦尔分别开发了自己的工业以太网标准和设备。后起的通用电气公司通过挖掘硅谷IT人力资源的方式,组建了一个400人的团队进行这方面的研发。IBM的“智慧地球”项目算是一个概念,而网络巨头思科和高通更是早早就提出了“Internet of Everything”的理念,并大力开始推进实施。所有的工业巨头都意识到互联网的革命将改变工业格局,只是他们没有想好怎么来一起进行这场伟大的变革。

就像是“互联网”这个名字一样,这应该是一个大一统的网络。所有设备可以在上面自由的获取想要的数据。控制器,可以连接到工厂任何角落的传感器,控制车间里面的每一个马达速度。但前提是,他们必须说一种语言。而现况是,各个工业巨头发明的各种方言之间确实无法交流的。这就像圣经里面巴比塔的故事。如果世界上工业界讲述同一种语言,也许我们就能改变整个工业界,但目前为止这种交流被扰乱着,远远达不到我们想要的效率。

在这种吵吵闹闹的纷争中,其实来有一个被遗忘的命题——到底这些工业设备需要不需要接入到互联网中?

从效率上讲,一个TCP/IP报文的长度最短也有近70个字节。而工业设备中简单的设备中使用的报文通常只有七八个字节。虽然以太网可以达到100M/s,但分给更多的设备,每个设备占用更多的报文空间后,其网络利用率并没有显著的提高。而频繁的握手、冲突解决等活动更是降低了实际网络传输带宽。大量简单的设备驳接进以太网,公用一个网络介质进行频繁的数据交换,总体效率并不高。

此外消费领域的互联网运营模式也无法生搬硬套进工业领域。比如数据的产生和消费模式在互联网中主要有三种:服务器=》客户端;客户端《=》服务器;客户端《=》客户端。分析一般用户带宽比例,我们可以知道客户端主要是一个数据消费者。比如web应用中,浏览器主要的作用是下载网页。但工业中,更多的数据是来自末端的传感器和各种简单设备的,位于中心的控制器则负责发号施令。所有设备都一拥而上去请求控制器,则造成不必要的网络负担。如果服务器去一一查询末端设备,则效率低下。如果各个客户端之间自由交换数据,则单个末端设备的设计复杂性和成本会提高。

另据报道,一个意大利的安全公司在几小时内就可以发现SCADA系统大量的安全隐患。大量的工业控制软件是为特定用户特别开发的,没有大量用户的测试基础。更大量的安全隐患是否存在。这不由的让人疑惑,如果接入外部网络,像是破坏伊朗核设施的震网病毒是不是就可以轻而易举的控制工业设备?

如果回头十几年前,我们对现在的互联网是不是也有一样的困扰。交换机曾经还是一个稀罕物,路由器指的是那种几千块的铁盒子。慢的不能再慢的网络带宽里面,各家使用奇奇怪怪的协议通讯,就算是HTTP也会出现完全不同标准下设计的浏览器问题。网络安全问题让各个杀毒软件公司赚的盆满钵满。我们还自信满满的说,手机就是打电话和发短信的,要上网功能干什么。

这并不是说我们无需担忧,同样的问题在工业界也一定有办法会解决,而是我们还看不到工业以太网有当年互联网一样解决问题的基础——庞大的用户群体。他们会一年半换一部手机,三年换一台电脑的速度推进互联网基础的变革。而工业界这样的前提却不存在。

所以这就注定了工业以太网要走一条和互联网完全不同的发展路线,一场自上而下的变革,一场巨头之间的博弈。而接下来的纪念这个伟大的博弈必将越来越激烈,也必将越来越精彩。

 

“工业以太网的一点思考”的2个回复

  1. 写的太好了,当前的这种各扫门前雪莫管他人瓦上霜的态势,只会越来越乱,当然也相信会出现一个主力军出来,领跑工业界!
    很希望和您学习一下关于西门子这块的技术,如有机会,感激万分!

    1. 我其实来也是自动化系统的门外汉,所有看问题也是从门外汉的角度来看。有机会多多交流!

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