了解SCADA的光纤网络技术

自本世纪初以来，监控和数据采集(SCADA)网络发生了重大变化，因为各公司都在努力使其系统现代化，提高安全性，并降低网络成本。但由于这些网络需要更多带宽来支持安全性、物联网(IoT)传感器数据和其他应用程序数据流量，许多组织正在考虑将下一代SCADA网络转移到光纤网络。

而本杂志的其他几位贡献者已经涵盖了与光纤电缆和光学有关的问题(参见，例如，“光纤:先进建筑设计的骨干”在姊妹出版物中Consulting-Specifying工程师)，我们仍然需要了解更多有关网络技术的选择，以建立这些新网络。

SCADA网络中最大的变化之一是从串行网络协议进化到Internet协议(IP)，这是企业网络中无处不在的网络技术。在SCADA网络中采用IP意味着设备成本可以降低，终端站的带宽可以扩展到10 Gbps，骨干网络的带宽可以扩展到100G bps。

向IP转移还提供了一种方法，可以更好地将基于scada的运营转换(OT)系统与组织的信息技术(IT)系统集成在一起，为物联网奠定基础，促进更好、更低成本的网络状况跟踪，并为运营数据管理提供更好的数据分析工具。

不过，并不是每个组织都转向了IP，甚至有些已经这样做了的组织也没有进行大规模的转移。一些人仍然对像以太网这样的面向数据包的技术取代确定性串行网络的能力持谨慎态度，而确定性串行网络是基于时分多路复用器(TDM)技术，具有保证数据传递的能力。大多数SCADA应用程序都有实时数据需求，需要99.999%的网络可靠性和低端到端延迟。

但直到最近，随着ITU G.8032(国际电信联盟标准)的引入，以太网才有了50毫秒故障转移的标准，提供了与串行协议匹配的可靠性级别。许多工业网络管理员现在才开始熟悉这种技术。

视频、物联网对带宽的要求越来越高

另一个网络演进是需要SCADA骨干网来支持来自变电站设备的其他数据流。监控视频数据传输是一项迫切的需求。变电站对更好的物理安全性的需求不断增长，这通常意味着增加视频监控——利用SCADA骨干网将视频数据回传到中央位置进行监控。

在不久的将来，作为新兴物联网应用的一部分，这些网络将需要更大的容量来支持监测广泛工业过程的传感器。一些专家预测，网络可以支持数千个传感器，这些传感器将监控进程和设备，并通过网络向中央控制台报告。

物联网不仅推动了更多带宽，还推动了OT和it系统的整合，以更好地处理有价值的生产数据，并基于这些信息更快地做出决策。

转向光纤

尽管所有光纤网络都具有带宽、传输距离、安全性和电磁干扰(EMI)优势，但选择正确的网络技术也很重要。

网络技术决策可以提供额外的可靠性、可管理性和冗余。然而，每一种网络技术实施都有其自身的成本考虑，除了持续的运营费用外，还包括建设网络所需的总资本成本。

网络可以构建在各种各样的拓扑结构中，但是光纤SCADA网络应该考虑的两种主要拓扑结构是:

1. 环:环形拓扑是一种网络，其中每个网络节点(即远程设施)以逻辑环形方式连接到其相邻节点，以便数据在环上传播，直到到达目的地。环形网络是最容易构建和扩展的——一个新节点必须简单地连接到环上任何部分的对等节点——只要数据包绕环圆周移动的距离在网络协议的延迟要求之内。环形网络中必须建立电缆冗余，以防止节点故障或电缆断裂。
2. 网:在全连接的网状网络中，每个节点都直接连接到其他每个节点，数据可以以非常低的延迟路由到网络上的任何节点。然而，网状网络的扩展是复杂和昂贵的，因为每个新添加到网络的节点都需要网络中每个节点的连接成倍增加。

在构建光纤SCADA网络时，需要考虑三种主要的网络技术。

了解更多关于构建光纤SCADA网络的三种技术。

第一网络技术:粗波分复用

使用粗波分复用(CWDM)，多达16个波长的光通过一对光纤电缆传输;每个波长都是一个独立的数据通道，用于高达10gbps的独立数据流。CWDM网络在环形拓扑中运行。

CWDM确实提供了灵活性和带宽，但SCADA网络的最大优势可能是它的简单性。CWDM是一种无源技术，可以在链路上支持任何协议的传输，只要是在特定的波长(即串行位流在1570纳米的光纤上，在1590纳米的10gbps以太网上)。

这允许网络管理员建立一个骨干网，可以随着网络的发展而升级。如果支持新的网络类型(例如10gb以太网)，则可以为该数据配置任何开放通道。这是因为多路复用器只是以任何网络速度折射光，而不管部署的协议是什么。

CWDM网络的一个缺点是解决方案的“低效率”。像任何面向电路的技术一样，骨干通道是被捆绑的，这意味着如果它们没有被使用，它们的带宽就不能用于其他可能充满数据包的网络。这与分组交换网络相比，分组交换网络没有保证的通道，但链路的全部带宽可用于传输网络。

第二网络技术:多协议标签交换

多协议标签交换(MPLS)是一种将数据封装到特殊数据包中的技术，其中包括用于将数据包切换到目的地的“标签”。

MPLS是一个通过IETF (Internet Engineering Task Force)建立的开放标准。它已被几乎所有主要电信服务提供商迅速采用，作为通过公共基础设施支持数千客户的平台。它在服务提供商和企业网络中大量使用，是SCADA网络的一个令人信服的选择。

在MPLS中，当数据包进入网络时，它被分配一个称为FEC (forwarding equivalence class)的路由。每个路由器都知道数据包的FEC，这要归功于它的标签——一个识别FEC的位序列。FEC不仅指示通过网络的路径，还告诉路由器如何处理数据流。例如，附加到视频数据包的FEC将数据流映射到低延迟路径。

由于它的设计，MPLS可以传输许多不同类型的有效负载。在SCADA应用程序中，这可能包括串行位流、IP包、视频数据流等。这种灵活性使MPLS成为构建支持遗留数据格式的现代网络的可行选择。

有许多因素使MPLS成为SCADA网络的一个很好的选择。这是一项成熟可靠的技术，已在大规模网络中得到验证。它提供了一种灵活的网络架构，支持远程变电站的连接，可以是冗余网络环，也可以是数据在每个变电站之间的线路中流动的线性结构。

然而，大多数MPLS网络设备被认为是电信网络中使用的运营商级。这很好，因为运营商级设备提高了可靠性，但这也意味着MPLS网络的构建和运营将更加昂贵。

第三网络技术:以太网/IP骨干网

第三种选择是创建路由以太网/IP骨干协议。也许以太网最大的优点是它的灵活性和多功能性。以太网具有非常宽的带宽范围，标准范围从10 Mbps到100 Gbps。以太网可以很容易地部署在铜或光纤介质上。

以太网可以部署在网状或环形拓扑结构中，许多以太网产品也经过了加固，以提供远程位置或室外使用所需的坚固性和宽工作温度范围(-40至75 C/-40至167 F)。

大多数数据协议可以在以太网网络中进行分组，并且支持50毫秒以太网故障转移功能和服务质量功能，以太网将高质量的广域网(WAN)特性引入到通常被认为是局域网(LAN)技术中。

以太网数据包可以基于它们的IP地址(第三层地址)进行路由，这对于SCADA网络来说是控制良好的网络的关键。IP协议通过向广播域内的所有电台广播数据包来工作。这需要网络上的每个设备检查数据包，并根据需要丢弃或接受它。更大的广播域意味着每个设备必须处理更多的数据包。创建合理的三层广播域有助于限制这种网络泛滥，提高网络容量。

以太网供电(PoE)标准是利用以太网的另一个优点。PoE允许通过同一根Cat 5或Cat 6铜电缆传输以太网数据。这意味着IP摄像机、气体分析仪和嵌入式计算机等设备可以方便地定位，而无需安装额外的电源插座。

PoE有两种标准:IEEE 802.3af提供高达15.4 W(适用于VoIP电话或WiFi接入点);更新的PoE +以太网供电标准(IEEE 802.3at)提供高达25.5 W的可用功率，同时还保持与当前标准的向后兼容。

然而，应该说，任何部署以太网作为接入网的SCADA网络都可以从PoE或PoE+中受益，即使选择了另一种类型的骨干网技术。

随着对增加带宽和速度的稳定需求，光纤网络是SCADA网络和远程通信需求的明确选择。网络技术概述是提供部署最适合您的组织的网络所需信息的良好起点。

托尼LeFebvre，过渡网络公司产品管理总监。由CFE媒体制作编辑克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程，cvavra@cfemedia.com．

关键概念:

• 光纤网络是SCADA网络和远程通信需求的良好选择，因为需要增加带宽和速度。
• SCADA网络的最大变化之一是从串行网络协议演变到Internet协议(IP)。
• 在构建光纤SCADA网络时，需要考虑三种主要的网络技术:粗波分多路复用、多协议标签交换和以太网/IP骨干网。

考虑一下这个

在构建光纤SCADA网络时还可以使用哪些网络?

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