瓶頸相繼突破 工業乙太網路後勢看漲

DIGITIMES企劃

隨著市場與技術的快速擴展，工業乙太網路已成全球自動化的標準通訊技術之一，雖然現場匯流排類似PROFIBUS、Modbus和ControlNet仍然隨處可見，但其重要性隨著工業乙太網路的普及快速降低，工業乙太網路為使用者提供了更高的效率、更多的功能和更強大的相容性，這使得從管理級到現場層的通訊數據有了統一標準，在介面相容的情況下，只要是使用Web Based的設備，都輕易連上網路，瀏覽或使用相關數據。

工業乙太網路的資安問題

目前工業乙太網路最主要的使用在管理層和控制層，藉由特殊的即時乙太網路技術，在運動控制應用中，可以滿足回應時間少於1毫秒的應用要求，因此乙太網路技術在工業領域中，以往被詬病的即時性問題，已被視為獲得解決。

在資安方面，這幾年工業乙太網路的安全協定也紛紛制定完成，例如：Profinet的Profisafe、基於EtherNet/IP的CIPSafety都已開始有實際應用，目前在製造現場應用中，由於大型自動化廠商所使用的自動乙太網路應用協定，像是EtherNet/IP、Profinet或Modbus/TCP，這些協定都支援標準的TCP/IP，因此標準的工業乙太網路交換器也開始導入。

安全層級部分，工業乙太網路可使管理級到現場級的資料傳輸規格一致，使用者只需要掌握單一網路技術即可互連，然而標準化網路結構也因其透明度而帶來風險，例如生產線中的機器手臂，IP位址可能被其他工作站操作，在此情況下，必須有明確規則來定義通訊的時間和物件。

目前部分廠商的作法，是在網路出口端安置防火牆來抵制外部攻擊，然而這遠遠不夠，致命性錯誤甚至停機事故，往往來自內部的錯誤操作，因此分散式安全體系在自動化領域非常重要，唯有如此整個系統或系統部件可以被分割成各個獨立安全單元，各個安全的單元之間通過各自定義的規則來互連。

需求刺激頻寬成長

對工業應用來說，網路頻寬的要求愈來愈高，特別是在控制層，高速乙太網路(100Mbit/s)已成主流之一，不過在商用環境中，Gigabit Ethernet應用逐漸普及，尤其在物聯網概念下，乙太網路勢必被積極導入，其原因可以歸納為三點：

1、愈來愈多的現場設備通過乙太網路連接，隨著設備數量的增加，頻寬需求也會同步成長。

2、網路功能與服務項目快速成長，如控制資料，IP電話或IP影音通訊日益普及，這些服務都會在同一纜線上傳輸，對頻寬要求會愈來愈高。

3、Gigabit Ethernet有10倍於高速乙太網路的交換能力，許多即時的應用可以在標準的Gigabit Ethernet環境中實現，不過與無線解決方案面臨的問題一樣，更高的傳輸速率意味著高功率的消耗和高成本晶片，但是隨著晶片成本的降低，Gigabit Ethernet將會在工業環境中日益普及。

另外一個趨勢則是QoS的強化，乙太網路應用經過10幾年的發展，新業務和新應用的不斷出現意味著更多網路資源的耗費，僅僅保證高頻寬已經無法滿足應用的要求，如何保證網路應用端到端的QoS成為現今乙太網路面臨的最大挑戰，採用傳統的建網模式已經無法滿足應用的QoS要求，網路應用迫切需要設備對QoS的支援向邊緣和接入層次發展，在過去，網路中高QoS意味著高價格，但隨著ASIC技術的發展，使終端設備具備強大的QoS能力成為可能。

管理更智慧  整合速度加快

管理維修方面，乙太網路工業領域的應用也會有大幅進展，接取層設備由於價格低廉、對製造業者提供了更方便的管理方式，而在Web的管理介面下，網路維護管理變得更加人性化。

對大型製造業者來說，由於接取層設備數量眾多、維護工作量巨大，因此對設備提供統一管理與維修的手段需求殷切，採用Web統一介面，可使管理更為簡潔，例如透過製造執行系統(Manufacturing Execution System；MES)的製具管理功能，讓各設備的維修時間與狀況可透明化呈現在Web介面上，藉以提升管理效能。

至於在用戶管理功能部分也更加完善，儘管乙太網路在區域網路已成網路的主流技術，但在工業應用中仍有部分難題待解，例如網路中缺少使用者管理的機制、網路攻擊頻頻發生等，因此用戶管理概念被快速導入到工業乙太網路技術中，像是通過認證技術，限制唯有合法使用者才能進入網路，這方面常用的網路認證技術包括：VLAN+WEB認證和802.1x認證，多種認證技術的出現，使乙太網路的使用者管理更上層樓，尤其在製造環境中，使用者的管理將更為重要，例如成品瑕疵的製程追溯，就可藉由使用者的登入資料回溯查詢。

交換器和路由器的融合也是趨勢之一，交換器技術和路由器技術在網路發展上一直處於並行發展的狀態，一般的使用習慣是將交換器視為區域網路技術的一種設備，只有在區域網路上，才會考慮使用交換器，如果要與廣域網路互連，那就是路由器的事情，實際上，隨著ASIC技術和網路處理器的不斷發展成熟和網路逐漸被IP技術所統一，乙太網路交換器技術已經走出了當年「橋接」設備的框架，路由器中所具有的豐富的網路介面，在目前交換器上已經可以使用，路由器中擁有豐富的路由式通訊協定，在交換器中也得到大量的具體應用；路由器中具有的大容量路由表在交換器中目前也可以採用。

智慧工廠的支柱

就目前發展來看，乙太網路在工業領域的發展前景十分樂觀，然而卻也並非毫無缺陷，在技術端，目前工業乙太網路在相容性部分尚待解決，多數人會認為乙太網路技術是統一標準，應不致有相容性問題，其實乙太網路雖然標準統一，不過在通訊協定(TCP/IP)方面，各廠商會依據自身產品而有不同設定，如果是異系統整合，就會出現相容問題，要解決此問題，可在系統整合前告知設備廠商，或直接挑選系統相容性高的產品。

目前所指的乙太網路實際上都是指基於TCP/IP協議的乙太網路，過去以生產PLC為主的公司都使用乙太網路作為通訊技術，其中，西門子將乙太網路應用到現場生產端，並有向下層通訊的趨勢，如今乙太網路已廣泛應用於工業控制系統的監控網絡，這種完全以工業乙太網路為基礎的控制系統，其工廠級、監控級和現場級均採用基於TCP/P通訊協議的工業乙太網路，配備Web server功能，這種趨勢愈來愈明顯。

根據業界預測，正如當年工業電腦進入工業自動化領域一樣，乙太網路將會快速導入工業控制，將生產端的產線製造網絡、儀表、設備網絡與上層管理階層構成暢通的透明網絡，並與WEB功能相結合，與工廠的電子商務、物資供應鏈和ERP等形成整體，達到真正智慧工廠的願景。