工业防火墙架构与技术中的硬件架构是怎样的

1)、满足工业环境稳定性要求

从满足工业环境稳定性要求的角度，工业防火墙的需要从硬件和软件层次去考虑本身的稳定性对工业网络的影响。从这个角度说，工业防火墙需要同时具备软硬件Bypass功能。工业防火墙出现故障不必担心会导致工业网络断网，因为Bypass功能会自动启动，确保网络正常运行。Bypass顾名思义，就是旁路保护系统，也就是说可以通过特定的触发状态（断电或死机）让两个网络不通过工业防火墙的系统，而直接物理上导通。而这个时候工业防火墙也就不会再对网络中的数据包做处理了。基于这样的设计，Bypass从安全***的角度，也本身是一个漏洞，只要***找到方法能够使得工业防火墙触发Bypass功能的状态，那么在其触发了Bypass功能的工业防火墙上安全隔离和控制功能就失去了作用，***就可以直接访问内部受保护的资源。那么这种想法到底可不可行？Bypass功能是否存在这样的被***的漏洞呢？下面让我们来看看Bypass功能是如何设计实现的。

在这里我以最简单的模型来说明Bypass的架构以及工作原理，在工业防火墙中，如果是基于工业以太网环境的Bypass功能的设计，那么就跟工业主板以及网卡有关，这个Bypass功能就随着主板以及网卡的设计架构不同而有所差异了。

          从最简单的Bypass模型来看，这个模型包含了“Bypass控制器”和“执行电路子板”两个部分。Bypass控制器是整个系统的控制调度核心，而执行电路子板就是具体的执行者，这个执行者作用于不同的网络传输介质上（比如电口、光口、串口等）。如下图所示：

这个执行者是如何作用于不同的网络传输介质上的？这就需要我们明白底层的网络传输介质之间的组件以及他们的关系，这个传输介质我们以网卡的架构作为说明。

这是一张网卡的实物图，里面包含了网卡的所有组件：

①RJ-45接口

②Transformer(隔离变压器)

③PHY芯片

④MAC芯片

⑤EEPROM

⑥BOOTROM插槽

⑦WOL接头

⑧晶振

⑨电压转换芯片

⑩LED指示灯

可以看到很多我们以前都不太知道的组件和设备。下面简要介绍下各个组件的作用。

RJ-45是一个插口模块，简单来说它是一个发送器或接收器。RJ-45有8根针脚，网卡一般用RJ-45插口时，10M网卡的RJ-45插口只用了1，2，3，6四根针，而100M或1000M网卡的则是八根针都是全部使用的。它的每个针脚指承担数据的收发工作，不用于其他目的。其主要存在于网线的两端以及各个网络以太网设备上。它只是一个插口，没有任何逻辑控制的智能在里面，因此其向后连接的就是PHY芯片。

PHY是物理接口收发器，是网卡用于实现物理层的组件。IEEE-802.3标准定义了以太网PHY，包括MII/GMII(介质独立接口)子层，PCS(物理编码子层)，PMA(物理介质附加)子层，PMD(物理介质相关)子层，MDI子层。其内部也是一个构造十分复杂的精密的部件。PHY在发送数据的时候，收到MAC过来的数据(对PHY来说，没有帧的概念。对它来说，都是数据而不管什么地址，数据还是CRC。对于100BaseTX因为使用4B/5B编码，每4bit就增加1bit的检错码)，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去，收数据时的流程反之。PHY还有个重要的功能就是实现CSMA/CD的部分功能。它可以检测到网络上是否有数据在传送，如果有数据在传送中就等待，一旦检测到网络空闲，再等待一个随机时间后将送数据出去。如果两个碰巧同时送出了数据，那样必将造成冲突，这时候，冲突检测机制就可以检测到冲突，然后各等待一个随机的时间重新发送数据。这个随机时间很有讲究的，并不是一个常数，在不同的时刻计算出来的随机时间都是不同的，而且有多重算法来应付出现概率很低的同两台主机之间的第二次冲突。

比较关键的是，RJ45和PHY之间并不在一起。也就是说，我们通常看到的网线，其头部的RJ45都不包括PHY芯片。因此，在主板的设计上，RJ45和PHY之间是有一段传输距离的。就是设计Bypass的关键。

隔离变压器的作用是把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到连接网线的另外一端。这样不但使网线和PHY之间没有物理上的连接而换传递了信号，隔断了信号中的直流分量，还可以在不同0V电平的设备中传送数据。隔离变压器旨在设计为2KV~3KV电压，同时也具有防雷感应保护功能。有些朋友的网络设备在雷雨天气时容易被烧坏，大都是PCB设计不合理造成的，而且大都烧毁了设备的接口，很少有芯片被烧毁的，就是隔离变压器起到了保护芯片作用。

而MAC芯片称为媒体接入控制器，用于实现MAC即Media Access Control，媒体访问控制子层协议的芯片控制器。该协议位于OSI七层协议的数据链路层的下半部分，主要承担控制和连接物理层的物理介质的任务。该层协议是以太网MAC由IEEE-802.3以太网标准定义。以太网数据链路层其实包含MAC(介质访问控制)子层和LLC(逻辑链路控制)子层。一块以太网卡MAC芯片的作用不但要实现MAC子层和LLC子层的功能，还要提供符合规范的PCI或PCIE界面以实现和主机的数据交换。如下图所示：

而PHY和MAC芯片之间通过MII总线连起来实现通信。后面的网卡组件就跟我们实现Bypass功能没任何关系了。现在的网卡已经实现了将PHY芯片和MAC芯片在同一块芯片上实现。换句话说，在主板上连接以太网接口的芯片，可能是同时具备PHY芯片和MAC芯片功能的网络控制器。我们可以在了解了上述概念后，探讨一下Bypass是如何利用PHY和以太网接口之间的传输路径的。

在图中间插入一个以太网口电路子板，然后将该子板连接到Bypass控制器，可以接收开关的控制信号。

以太网口电路子板内部包含两个组件：继电器（电子开关）和变压器。

因此更细节一点的架构就是下图所示的结构：

我们可以看到，在每个PHY芯片和以太网接口之间，都存在一个变压器和一个继电器，这两个设备就是Bypass的具体执行者。其中，继电器可以只是简单的电子电路开关控制器，比如电子开关。Bypass控制器向继电器提供控制信号，两个继电器经由控制电路受控制信号的控制。当我们的工业防火墙工作正常时，软件使控制信号有效，两个继电器的开关处于处于正常状态，即开关的阀门是向上闭合的，即实现了变压器与RJ45（以太网接口）的导通。

当我们的工业防火墙出现故障 时或掉电时，两个继电器的开关均跳拨到连个继电器互联的那个开关上，使RJ45与工业防火墙断开，但是两个继电器之间连通，以使得两个RJ45之间连通。这样就使得工业防火墙上的内外网接口在物理上直连。

明白了下层的操作方式之后，我们再来看Bypass如何来进行触发，现目前的Bypass触发方式，都是通过Bypass控制器下发控制指令而实现Bypass功能。Bypass控制器收到以下3种情况而下发控制指令：

(1)通过电源触发。这种方式下，一般是在设备没有通电的情况下，Bypass功能打开，设备一旦通电，Bypass立即调整为正常工作状态。

(2)由GPIO (通用输入/输出端口)来控制。在进入操作系统后，可以通过GPIO对特定的端口操作,从而实现对Bypass开关的控制。

(3)由Watchdog  (看门狗)来控制。这种情况实际是对方式2的一种延伸应用，可以通过Watchdog来控制GPIOBypass程序的启用与关闭，从而实现对Bypass状态的控制。使用这种方式,当系统宕机时可以由Watchdog来打开Bypass。

现目前，Bypass功能的实现一般同时在设备上实现第一种和第二种，有时候三种也同时在同一设备上实现。如果设备未通电，要想实现Bypass功能，则需要给网卡和继电器同时供电。

基于此，在启用Bypass的以太网、现场总线及485总线（如果有的话）都需要有与主电源隔离的额外电源。

以上是工业防火墙架构与技术中的硬件架构是怎样的的详细内容。更多信息请关注PHP中文网其他相关文章！