کتاب شبکه های صنعتی اثر مجتبی پاشازانوسی ناشر دانش بنیاد

مقدمه

     از زمانی که Modicon 084 به‌عنوان اولین PLC به دنیا معرفی شد، اتوماسیون صنعتی جایگاه ویژه‌‌ای در صنعت، تولید و خدمات پیدا کرد و فرایند تولید محصولات، با کیفیتی بالاتر و هزینه‌‌ای پایین‌‌تر و سرعت بیشتری انجام شد. با به کارگیری ربات‌‌ها، PLCها و CADها Industry 3.0 به وجود آمد که موجب تغییرات بنیادی در تولید، اقتصاد و جامعه شد و ما همه‌روزه شاهد پیامدهای این انقلاب و تاثیرات عوامل به وجود‌آورنده آن در زندگی روزمره هستیم.

      روند توسعه صنعت و فرایندهای مرتبط با آن به پیش رفت تا جایی که فناوری‌‌های هوشمند ظهور پیدا کرد. در این روند سیستم-های Cyber-Physical به وجود آمد، ارتباط بین ماشین‌‌ها (M2M) گسترش یافت و اینترنت اشیا تحولی بنیادی ایجاد کرد. در واقع ارتباط بین اجزای تکامل‌یافته در Industry 3.0، موجب شد که این تحول تازه‌‌ای شکل بگیرد. در سال 2016 و در مجمع جهانی اقتصاد، Klaus Martin Schwab  از این تحول با نام Industry 4.0 یاد کرد و از آن زمان تاکنون در حال طی کردن مسیر جدیدی هستیم. نقطۀ عطف در انقلاب صنعتی چهارم ارتباطات بود؛ ارتباطات بین ماشین‌‌ها، بین انسان‌‌ها و بین انسان و ماشین.

      در حال حاضر، در صنعت تأکید بر روی ارتباط بین ماشین‌‌ها، کنترلرها و سنسورهاست. ارتباط پایدار مابین این اجزا و پردازش توزیع یافته و به هنگام اطلاعات به‌دست‌آمده، موجب افزایش سرعت و کیفیت تولید محصولات و خدمات و همچنین باعث کاهش هزینه‌‌ها می‌‌شود. نیازمندی این دوران طراحی، به کارگیری و نگهداری از سیستم‌‌هایی است که موجب دستیابی به سطح بالاتری از عملکرد می‌‌شود. افرادی که در این فرایند دخیل هستند، ملزم به درک عمیقی از نحوۀ ارتباطات بین این اجزا هستند و لازم است که درک درستی از فناوری‌‌های ارتباطی ساده نظیر سنسورهای متصل به یک زوج سیم تا فناوری‌‌های پیچیده‌‌تر شبکه نظیر LAN، شبکه بی‌سیم و موبایل داشته باشند.

     هرچه ارتباطات بیشتر باشد به شبکه‌‌های گسترده‌‌تری نیاز است. در نتیجۀ این گستردگی شبکه، امکان هک و خرابکاری در شبکه-ها و سیستم‌‌ها افزایش خواهد یافت و محافظت از کل مجموعه در برابر حملات یک الزام اساسی خواهد بود. امنیت سیستم‌‌های مرتبط با یکدیگر، از عوامل حیاتی بقا آن سیستم است، زیرا هر چقدر هم که یک سیستم کار خود را به درستی انجام دهد، همیشه این احتمال وجود دارد که عوامل مخرب داخلی و یا خارجی موجب تخریب فرایند کاری ‌‌شوند. سیستم‌‌های صنعتی و Cyber-Physical با فرایندهای فیزیکی مرتبط هستند، از‌این‌رو حمله هکری به این سیستم‌‌ها و خرابی احتمالی آن‌ها، پیامدهای جبران‌ناپذیری دارد؛ بنابراین امنیت سیستم‌‌های صنعتی یک الزام اساسی است.

      برای اینکه قطار صنعت در مسیر Industry 4.0 قرار بگیرد، به فناوری‌‌هایی دیگری نظیر دیجیتالی شدن نیاز است، که دیجیتالی شدن نیز به ارتباطات مبتنی بر شبکه‌‌های صنعتی وابسته است. ساختارهای جدید در شبکه‌‌ها، فناوری‌‌‌‌های جدید انتقال داده نظیر TSN، 5G و پروتکل‌‌های جدید نظیر OPC UA در حال توسعه هستند، و با به کارگیری این دسته از فناوری‌ها، صنعت منطبق با معیارهای  Industry 4.0 توسعه پیدا خواهند کرد.

      در حال حاضر، مباحث شبکه‌‌های صنعتی بسیار گسترده است و پرداختن به تمامی بخش‌‌های آن در یک کتاب امکان‌پذیر نیست. در کتاب حاضر به مفاهیم اصلی ارتباطات در شبکه‌‌های صنعتی، سیستم‌‌های مبتنی بر باس و امنیت صنعتی پرداخته شده است. منبع اصلی این کتاب، کتاب Communication Networks in Automation نوشتۀ Ricarda Koch Ralph Leuftner, است که در سال 2019 تحت نظارت شرکت Siemens به چاپ رسیده است. کتاب دیگری که برای مباحث PROFINET استفاده شده است تحت عنوان Automating with PROFINET است که این کتاب نوشته Raimond Pigen, Mark Metter است. بخش زیادی از مباحث این کتاب با دنیای IT مشترک است. بهترین مرجعی که برای مباحث شبکه‌‌های کامپیوتری می‌شناسم کتابی تحت عنوان Computer Networking, A Top-Down Approch نوشتۀ James F. Kurose, Keith W.Ross است. تا حد امکان سعی شده است که مباحث به صورت مختصر و مفید بیان شود تا مطالب به ساده‌ترین شکل به خواننده منتقل گردد. امیدوارم خواننده از مطالب کتاب استفادۀ کافی را ببرد. بدون شک بیان دیدگاه شما نسبت به مطالب کتاب، موجب افزایش کیفیت مطالب بعدی خواهد شد.

فهرست

  فصل 1        مروری کوتاه بر مطالب کتاب   1

  فصل 2         پروتکل  PROFIBUS   5

2-1                    نسخه‌های مختلف پروتکل PROFIBUS      6

2-5        لایه‌های مختلف پروتکل PROFIBUS      9

2-6         توپولوژی‌های      14

2-7        کنترل دسترسی به باس      16

2-8        آینده PROFIBUS      18

  فصل 3         فناوری  AS-Interface   21

3-1         فناوری انتقال     22

3-2         سازوکار دسترسی به باس     23

3-3         سایر نسخه های AS-i     24

3-4         مشخصات اصلی و نحوۀ پیکربندی     25

  فصل 4         باس CAN   27

4-1        فناوری انتقال     28

4-2        سازوکار دسترسی به باس     29

4-3        مشخصات اصلی     30

  فصل 5          اِترنت Ethernet   31

5-1        تعاریف     32

5-2        تاریخچه     33

5-3        ساختار پکت     35

5-4        آدرس MAC     38

5-5        مکانیزم دسترسی     39

5-6        اِترنت اشتراکی     41

5-7        Fast Ethernet     44

5-8        اِترنت مبتنی بر سوئیچ     45

5-9        سایر عملکردهای اِترنت     47

5-10      توسعه بیشتر اترنت     48

  فصل 6         پروتکل TCP/IP   51

6-1        پروتکل اینترنت (IP) - لایۀ شبکه     52

6-2        سایر پروتکل‌های لایه 3     71

6-3        لایۀ Transport     73

6-3        TCP/IP - ساختار کامل فریم     81

  فصل 7         فناوری WLAN   83

7-1        فرکانس‌های کاری و Throughput داده     84

7-2        بستر ارتباطی مشترک     86

7-3        مفاهیم اساسی در فناوری WLAN     90

7-4        روش‌های مختلف کاری و سازوکارهای عملیاتی در WLAN     92

7-5                    DCF  و DCP     95

7-6        Industrial point coordination function     97

7-7        چشم‌انداز     101

  فصل 8         افزایش دسترسی‌پذیری شبکه   103

8-1        STP/RSTP     104

8-2        MRP     105

8-3        PRP     106

  فصل 9         پروتکل PROFINET   107

9-1         ارتباطات عمودی به اِترنت نیازمندند     108

9-2         PROFINET – استانداردی جامع برای اِترنت صنعتی     108

9-3         اصول عملکرد PROFINET     115

9-4         پیکربندی PROFINET IO     124

9-5         MRP – تحمل خطا ارتباطات مبتنی بر PROFINET      130

9-6         تجهیز مشترک - منابع اشتراکی در PROFINET      136  

9-7         تجهیز I-device - ارتباطی بهینه در PROFINET     139

  فصل 10       امنیت سیستم‌های صنعتی   143

10-1      امنیت فناوری اطلاعات در مقابل با امنیت صنعتی: تفاوت در چیست؟     144

10-2      روندها، استانداردها، کمیته‌ها     147

10-3      روش‌های مختلف حمله و مشخصات متخاصم     151

10-4      دفاع در عمق     160

10-5      امنیت نیروگاه     162

10-6      امنیت شبکه     167

10-7      یکپارچگی سیستم     195

  فصل 11        شبکه‌های صنعتی و تجهیزات مربوطه   209

11-1      خانواده تجهیزات SCALANCE     210

11-2      طراحی و ساختار شبکه‌های صنعتی     217

  فصل 12       چشم‌انداز ارتباطات دیجیتال   223

12-1      الزامات شبکه های ارتباطی     225

12-2      معماری یکپارچهOPC  (OPC-UA)     226

12-3      شبکه‌های حساس به زمان     227

12-4      ارتباط دیجیتال: اینترنت صنعتی اشیا     231