工業防火墻架構與技術【第二節：硬件架構④】

下圖展示了主板的主電源供電電路設計圖：

下圖展示了基于主供電電源的以太網、現場總線、以及485總線需要的電源隔離電路設計圖。

除此之外，既然斷電也是一種可能存在的單點故障，那么在硬件架構設計的時候，本身工業主板的供電還應該考慮的是雙備電源電路設計！也就是冗余電源。下圖展示了工業主板針對的雙備電源電路設計設計圖：

因此工業防火墻在硬件架構設計上需要考慮冗余電源供電，當其中一路電源出現故障時，另外一路電源仍然能夠保障防火墻的正常工作，同時需要設計中很短的時間之內將電源的故障進行報警，以使得維修人員及時維修。對于電源的供電技術，出了在電路上設計雙冗余設計外，還可以采用POE供電技術。

除了Bypass功能的物理之間導通以及供電上的冗余設計考慮外，遇到突發情況時抗沖擊能力和其他性能同樣非常重要，比如受到外力沖擊，即使遭受到不法分子的蓄意破壞，工業防火墻也能夠完好無損并穩定工作。

另外，工業防火墻區別于傳統防火墻的另外一點是，工業防火墻會設計支持工業現場總線協議以及RS232或RS485總線協議的接口。在工業控制、電力通訊、智能儀表等領域，通常情況下是采用串口通信的方式進行數據交換。最初采用的方式是 RS232 接口，由于工業現場比較復雜，各種電氣設備會在環境中產生比較多的電磁干擾，會導致信號傳輸錯誤。除此之外，RS232 接口只能實現點對點通信，不具備聯網功能，最大傳輸距離也只能達到十幾米，不能滿足遠距離通信要求。而 RS485 則解決了這些問題，數據信號采用差分傳輸方式，可以有效的解決共模干擾問題，最大距離可達 1200 米，并且允許多個收發設備接到同一條總線上。隨著工業應用通信越來越多，1979年施耐德電氣制定了一個用于工業現場的總線協議 Modbus 協議，現在工業中使用RS485 通信場合很多都采用 Modbus 協議。因此在RS485 通信場合，工業防火墻還得支持基于RS485總線協議的防護，要支持RS485總線協議，就必須添加串口模塊，從而編寫RS總線接口電路設計圖，如下圖所示就是一個典型的RS485總線電路設計圖：

以往，PC與智能設備通訊多借助RS232、RS485、以太網等方式，主要取決于設備的接口規范。但RS232、RS485只能代表通訊的物理介質層和鏈路層，如果要實現數據的雙向訪問，就必須自己編寫通訊應用程序，但這種程序多數都不能符合ISO/OSI的規范，只能實現較單一的功能，適用于單一設備類型，程序不具備通用性。在RS232或RS485設備聯成的設備網中，如果設備數量超過2臺，就必須使用RS485做通訊介質，RS485網的設備間要想互通信息只有通過“主（Master）”設備中轉才能實現，這個主設備通常是PC，而這種設備網中只允許存在一個主設備，其余全部是從（Slave）設備。而現場總線技術是以ISO/OSI模型為基礎的，具有完整的軟件支持系統，能夠解決總線控制、沖突檢測、鏈路維護等問題。現場總線設備自動成網，無主/從設備之分或允許多主存在。在同一個層次上不同廠家的產品可以互換，設備之間具有互操作性。CAN協議是這種現場總線協議的代表和應用最廣泛的協議。CAN-Bus（Controller Area Network）即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。起先，CAN-bus被設計作為汽車環境中的微控制器之間通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網絡。它是一種多主方式的串行通訊總線，基本設計規范要求有較高的位速率，高抗干擾性，而且能夠檢測出產生的任何錯誤。信號傳輸距離達到10Km時，仍然可提供高達5Kbps的數據傳輸速率。由于CAN串行通訊總線具有這些特性，它很自然的在汽車、制造業以及航空工業中受到廣泛應用。由于CAN現場總線協議應用的廣泛性以及現在住工業環境中所處的地位，工業防火墻的設計還必須考慮對其的支持。下圖顯示了工業防火墻在主板上，對現場總線協議驅動設計的實現電路，其分為驅動芯片和控制芯片：

總結：基于工業級的防火墻，首先需要滿足工業環境對硬件的要求，硬件設計考慮就必須按照工業級的標準進行設計；同時還需要考慮工業級對網絡處理實時性的要求，硬件設計就得考慮采用更合理的處理架構更快的在硬件層面實現數據包處理的實時性；此外基于工業級對穩定性的要求，工業級防火墻還得考慮Bypass旁路保護功能以及雙路供電等盡量滿足穩定性要求的設計。除外，工業級防火墻本身的高可用HA功能也是必須要考慮的。這個功能目前就調研的大部分防火墻設計來看，大部分基于軟件層面實現，很少有基于硬件層面來實現設備的高可用功能。