HSR 節(jié)點 - 采用Zynq SoC的智能網關可提高世界一流制造廠的生產力

為了實現無縫冗余，每個 HSR 節(jié)點都以環(huán)路的兩個方向發(fā)送以太網信號幀。這種方法可實現對電纜或設備的“熱”插拔。每個節(jié)點都負責轉發(fā)兩個方向的信號幀，同時，IEEE 1588v2 負責校正停留時間和鏈路延遲時間以確保整個網絡的時序精度。因此，必須實現幀的硬件處理，以確保每個節(jié)點中延遲時間短且恒定。確切地說，IEC 標準建議采用“直通轉發(fā)”方案轉發(fā)環(huán)路中的信號幀。

為了避免出現循環(huán)幀，在單播通信中，接收幀的節(jié)點負責從環(huán)路中將幀刪除。對于多播及廣播流量，當發(fā)送端在冗余端口中再次看到發(fā)出的幀時會將幀刪除。還應用了有關循環(huán)幀(例如損壞的幀）的更多規(guī)則以確保網絡穩(wěn)定性。

HSR 很多情況下與并行冗余協(xié)議 (PRP) 結合，是變電站（即全球最重要的領域之一）的自動化標準所建議的高可用性以太網協(xié)議。

此外，軍事和航天等其它領域也采用這些 L2 解決方案。

智能網關提供從以太網和串行端口到 HSR 基礎架構環(huán)路的硬件交換功能。有兩個智能網關（分別位于圖 3 的左側和右側），它們作為冗余盒 (RedBox) 負責連接 HSR 環(huán)路與基于以太網的企業(yè)網絡。從功能上講，右側的接入點是可選的，因為它可用來避免在網絡只使用一個 RedBox 的情況下會出現的單點故障。我們建議：

在需要高可用性，或者有必要在企業(yè)網絡的關鍵節(jié)點中管理 PRP 幀(IEC 62439-3 Clause 5)的情況下，實施雙盒設置。

此外，網關中還有通向 SoC 器件處理單元的內部網絡端口。在大多數情況下，“無聲”交換方案在連接工廠與 IT 設備時沒有用。數據和網絡格式的異構特點使得很難實現簡單直接的連接。這里需要的是能夠與本地、企業(yè)或云數據庫對話的強大集成處理系統(tǒng)。此外，該系統(tǒng)還將負責翻譯協(xié)議，管理 HMI 系統(tǒng)，支持 MES 系統(tǒng)，甚至運行軟 PLC 實現實時控制。但是，這還不夠?？蛻暨€希望這樣的系統(tǒng)能夠在設備中執(zhí)行復雜傳感器數據的預處理和濾波，當然還有高級網絡安全工作。

這類先進制造設施中的網絡安全要求變化很大。必須提供高級安全，才能保護生產本身的狀態(tài)，才能避免惡意中斷或網絡基礎架構（設備、網絡、軟件或硬件）引起的意外中斷。另外，還必須對正在訪問信息或重要操作的用戶和設備進行身份驗證。此外，還需要在身份驗證和隱私方面保護信息和控制協(xié)議，因為工廠網絡連接到企業(yè)內和企業(yè)外的更大的 IT 網絡。

只有采用顧及到每個工廠實施內容的分層網絡安全方案才能應對這些挑戰(zhàn)。所有項目中的共有元素是需要支持采用加密和身份驗證措施的安全引導及存儲功能。該特性可使安全軟件及安全網絡的實現方案更可信。

可信嵌入式系統(tǒng)的保護工作變得越來越難，原因在于設備的異構性以及設備數量越來越多。

為了進行身份驗證和實現網絡安全，這些系統(tǒng)可以直接使用當今 IT 領域的很多解決方案。將著名身份驗證機制 IEEE 802.1X 與 RADIUS 相結合就是一個很好的實例。很多具有高級操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)都可通過運行密碼庫（例如 OpenSSL）來支持所有 L3 安全協(xié)議以及有助于保護數據交換的應用。然而，在需要保護具有嚴格實時要求的 L2 工業(yè)協(xié)議時，會出現一個很大的挑戰(zhàn)。對這些情景的分析表明：采用軟件方案保護這些幀，也就是應用密碼算法，即使采用密碼加速器，也不夠簡單直觀，在很多情況下，還需要進行自定義硬件處理。

在所給的拓撲結構中，從網絡及用戶角度來看，必須利用身份驗證機制來保護三個網絡鏈路：冗余 HSR/PRP、10/100/1G 交換端口和服務端口。此外，所有工廠流量都通過智能網關，因此這三個鏈路將在監(jiān)控流量、防止?jié)撛谕{的過程中起到非常重要的作用。

最后一個概念是傳感器接口套件的集成。如前文所述，技術進步應該幫我們簡化設備，而不是使它們變得更復雜。為滿足這一要求，我們將所有標準數字及模擬接口都集成在網關中。此外，我們還包含了用于高級振動傳感器的高端接口，以及能直接訪問 Zynq SoC 器件的高速數據采集接口。