WirelessHART和Legacy HART 网络的互连外文翻译资料

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WirelessHART和Legacy HART 网络的互连

Shahid Raza, Thiemo Voigt

Swedish Institute of Computer Science (SICS)

SE-16429 Kista Stockholm, Sweden

{shahid, thiemo}@sics.se

摘要

WirelessHART是一种新型的标准化工业过程自动化无线传感器网络协议。WirelessHART协议旨在通过为其提供无线扩展来补充HART协议。 但是由于物理层和数据链路层不同，这两种协议不能直接互相操作。 WirelessHART基于IEEE 802.15.4网状网络，而HART是4-20mA模拟有线协议。 考虑到全球HART网络的大量安装，我们认为需要集成HART和WirelessHART网络，因为WirelessHART标准没有指定安全连接两个网络的方法。

在本文中，我们提供了集成WirelessHART和传统HART网络的不同选项并且开始使用网关集成两个网络。 但是基于网关的集成有时不可行且不安全。 本文的主要贡献在于我们为WirelessHART网络与HART网络互连提供了一种新颖且相对安全的解决方案。 我们指定并设计了一个新的WirelessHART Integrator，它扩展了WirelessHART适配器的功能，并且仅在网络级而不是在设备级提供集成。 我们还分析和比较我们的解决方案与基于网关和适配器的解决方案。

I.介绍

WirelessHART [1] [2]是IEC批准的第一个无线传感器网络国际标准，主要用于工业过程自动化中的无线通信。WirelessHART不是一个全新的协议；相反，它是高速可寻址远程传感器（HART）协议的无线扩展[3]。 自1990年以来，HART协议可用作工业过程自动化和控制的开放协议。 最新版本是HART 7.2，包括无线过程数据传输和采集功能，正式命名为WirelessHART^TM。

HART是自动化行业中广泛使用的协议。目前，全世界有数千个HART网络和数百万个HART设备在运行。为了利用传统的HART网络并成为一个成功的无线工业自动化标准，WirelessHART网络应该能够与传统的HART网络进行互操作。 遗憾的是，由于物理层和数据链层不同[4]，尽管协议共享许多常见功能，但WirelessHART与传统HART不直接兼容。WirelessHART标准提供了将HART设备与WirelessHART网络集成的机制，但标准中缺少HART网络与WirelessHART网络的集成。 在本文中，我们提供了将WirelessHART网络与HART网络连接的不同选项。 据我们所知，我们的工作是第一次尝试集成HART和WirelessHART的

网络。 已有解决方案将传统的其他过程自动化有线网络连接到无线网络[5];但是，这些解决方案不适用于HART / WirelessHART网络。

我们从集成解决方案开始，其中WirelessHART网关用作集成点。这里，网关可以作为独立设备使用，可以添加到HART I / O子系统中，也可以放在插入HART调制解调器的PC卡中。但是，WirelessHART中只有一个网关 因此，不可能将其与HART Masters安全地直接连接。

图1 WHI安全地集成了HART和WirelessHART网络

WirelessHART是一种安全标准，而传统HART¹是一种不安全的协议。 我们提供了一种新颖，相对安全，灵活且可扩展的解决方案，可将HART网络与WirelessHART网络连接起来。我们的主要贡献是设计了WirelessHART集成器（WHI），可以安全地将HART网络与WirelessHART网络连接，而无需改变或更换现有的HART或WirelessHART设备。 与将有线HART从站设备与WirelessHART网络连接的适配器不同，我们的WHI将HART主站与WirelessHART网络连接。 HART Master是一个控制器，用于控制通过电流环路连接在一起的现场仪表或HART从站设备（HART网络称为电流环路）。 图1显示了这种结构，在第IV-A节中进行了解释。

II.背景

WirelessHART协议的开发是为了补充传统的HART协议。 这两种协议都用于工业过程自动化并共享一些共同特征。HART和WirelessHART中的所有消息都以标准中预定义的命令的形式流动。

A. HART网络

HART和WirelessHART协议均基于OSI 7层架构。 HART协议仅定义物理层，数据链路层和应用层，而WirelessHART标准定义了五层（没有单独的会话层和表示层）。 HART网络可以由点对点或多点电流回路形成。 在点对点网络中，只有一个设备连接到电流回路; 而在多点网络中，多个设备可以连接到当前环路。 图2显示了一个完整的HART系统，包括点对点和多点HART网络，其中从设备通过电流回路，分布式控制系统（DCS）和工厂自动化主机（PAH）连接到HART主站。

图2 两个HART网络，具有点对点和多点拓扑结构以及HART骨干网

安全性：HART是一种不安全的协议，因为没有使用加密安全机制来保护不同HART网络组件之间的消息。HART具有使用单奇偶校验编码方案的通信错误检测[6]。该方案在每8位后增加1位的开销; 细节可以在[7]中找到。

B. WirelessHART网络

WirelessHART网络是无线设备的集合：现场设备，适配器，路由器，接入点和手持设备[8];以及有线实体：网络管理员，网关，安全管理器和工厂自动化主机（PAH）。网络管理器提供整体管理，网络调度和监视，网络初始化功能和资源管理。网络管理器与安全管理器协作，以管理和分发安全密钥。协议栈基于具有附加安全性和MAC子层的七层OSI堆栈。 WirelessHART是一种自我修复和自组织的无线协议，因为设备能够找到邻居并与它们建立路径，并检测网络暴露和重新路由。无线设备使用网状网络连接，其中每个设备充当路由器。WirelessHART标准使用跳频扩频（FHSS）[9]和使用时分多址（TDMA）的唯一分配时隙。图3显示了WirelessHART网络具有网络管理器（NM），安全管理器（SM），用于无线和有线部件之间的互操作的网关，PAH以及诸如现场设备（FD），接入点（AP），手持设备的其他无线设备，路由器和适配器。

图3 完整的WirelessHART网络，带有无线和有线部件

安全性：WirelessHART是一种安全可靠的协议。具有CBC-MAC模式（CCM）的计数器中的高级加密标准（AES-128）分组密码[10]用于加密消息和计算消息完整性代码（MIC）。 WirelessHART标准提供端到端，每跳和点对点安全性。 实施端到端安全性以保护源恶意内部设备之间的源设备和目标设备之间的通信。净工作层提供端到端安全性。 数据链路层提供两个相邻无线设备之间的每跳安全性。 每跳安全性是对外部人员的防御，即不属于WirelessHART网络的设备。 WirelessHART网络中的所有流量都通过网关流动;但是手持设备可以与现场设备建立安全且直接的对等会话。 我们之前已经分析过WirelessHART的安全性[11]。

表I HART和WIRELESSHART网络之间的比较

表I显示了在连接两个网络时需要牢记的HART和Wirelesshart协议之间的比较。

C.集成的动机

HART-WirelessHART集成的主要动机是为广泛部署的HART网络提供传统支持。 全球安装了数百个基于HART的网络。当代WirelessHART标准基于基于传统命令的HART协议，并且都用于工业过程自动化。为了充分利用已安装的HART网络，WirelessHART应当能够与HART网络通信，反之亦然，即需要进行网络到网络的集成。可能WirelessHART是过程自动化系统中无线通信的未来选择，由于其新颖的功能，新制造工厂将会更喜欢WirelessHART而不是HART网络。

HART网络和HART骨干网通过可能断开的导线连接; 添加无线可以提供容错功能。如果我们有HART设备并且HART信息被捕获，即安装和系统仅处理4-20mA，这是很常见的，我们可以使用WirelessHART和我们的新集成商来获取这些信息。WirelessHART是一种安全可靠的协议，通过将其与有线HART集成，我们可以在传统HART协议中 增加安全性。

D. WirelessHART适配器

WirelessHART标准提供了一种使用适配器将HART设备与WirelessHART网络连接的可靠且安全的方法[8]。适配器连接一个（具有点对点拓扑的HART网络）或更多（具有多点拓扑的HART网络）支持HART的现场设备和WirelessHART网络。在点对点HART网络中，我们需要一个适配器，用于需要与WirelessHART网络连接的每个HART设备。因此，基于适配器的解决方案不可能将完整的HART网络与WirelessHART网络连接起来。在自动化工厂中，通常有多个HART网络;但是，可以使用适配器仅访问点对点网络中的单个HART设备和单个多点网络。WirelessHART适配器提供直接集成，但从设备到网络。

III.基于网关的集成

WirelessHART标准不提供任何预先网络到网络集成，而是突出显示可用于连接HART和WirelessHART网络的一些网络拓扑。在本节中，我们将扩展这些体系结构，并详细说明网关与HART网络的布局和连接。这些连接因传统HART网络（点对点或多点）和HART骨干架构而异。连接HART和WirelessHART的目的也会影响设计；如果目的是从设备读取数据，那么将仅在网关中实现基本读取命令，否则可以实现任何数量的命令并且可以提供任何接口。 WirelessHART网关可用作插入HART调制解调器的同一PC板中的PC卡，可用作独立设备，也可用作HART I / O系统中的内置组件。

A. PC卡中的网关

该解决方案相当简单易行。HART调制解调器[12]可用于提供HART到以太网消息传递。HART到WirelessHART网关可以用作插入HART调制解调器的同一PC板中的PC卡。这将是一个可行的应用级解决方案，因为HART和WirelessHART共享应用层规范。在传统HART网络已经使用HART调制解调器集成HART和以太网（或Wi-Fi等）的情况下，此解决方案是可行的。此外，如果我们使用网络管理器和安全管理器作为插入网关的同一台PC中的应用程序，这种方法简化了WirelessHART网络架构。 HART主机应用程序也可以放在同一台PC中。 图4显示了这种架构。

图4 使用Gateway作为PC卡集成HART和WirelessHART

B.网关作为I / O子系统的一部分

如果HART网络没有使用HART调制解调器，或者在自动化工厂中使用基于调制解调器的架构是不可行的，那么取决于可用的HART类型（点对点和/或多点）和网络架构 此外，WirelessHART网关可用作I / O系统中的内置组件。对于HART网络，I / O系统只是另一个设备，每个I / O系统必须有一个或多个卡，每个卡必须有一个或多个通道。每个通道都支持一个或多个子设备（HART设备）。要集成HART和WirelessHARTnetworks，网关可以作为I / O系统中的卡插入。图5显示了这种架构。

图5 使用Gateway作为I / O子系统的一部分集成HART和WirelessHART

C.独立网关

可以使用独立网关将WirelessHART与HART网络集成。网关可以直接与任何HART的I / O系统或现场传输组件（FTA）连接。连接电缆可以是任何推荐标准（RS）规范，但WirelessHART建议使用RS485电缆在FTA和网关之间建立连接。RS485支持多点和半双工通信。此外，它具有软件流控制。HART和WirelessHART网络级集成的完整体系结构如图6所示。该图还显示了集成点以及使系统运行所需的其他组件。

图6 使用独立网关集成HART和WirelessHART

限制：WirelessHART网络中只有一个网关。在某些情况下

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