随着工业4.0概念的提出,智能生产线在工业生产中的应用也越来越广泛。实现智能生产线中控制终端、制造设备的互连互通,已成为我国下一代智能制造业发展的重要方向之一。然而,当前应用于智能生产线的交换式工业以太网由于共享传输介质,当不同类型的数据流汇聚在交换设备上进行重新转发时,会在发送端口存在排队等待现象,对数据通信的实时性造成较大影响。其次,工业以太网所处的生产环境较为复杂,因设备故障和通信错误带来的安全问题频繁发生,现有的工业以太网难以对这些问题进行有效的检测和处理。因此,需要对工业以太网进行改进,以确保数据在网络中的传输具有较低的通信延迟和较高的通信安全性。针对现有的工业以太网存在的实时性和安全性问题。本文在交换式工业以太网的基础上,引入时间敏感网络(Time Sensitive Networking,TSN),设计了一种TSN安全协议栈。该协议栈包括TAS-WRR(Time Awareness Shaper-Weighted Round Robin,基于时间感知整形器的加权轮询)调度算法和SIEPC(Switched Industrial Ethernet Precheck,面向交换式工业以太网的预校验)安全机制。本文所做的贡献和创新点如下:1)为了对工业以太网中的周期性实时数据、非周期性实时数据和非实时数据在交换设备进行有效的调度转发,本文给出了一种通信时间的划分方法。将数据通信时间进行周期性划分,每个通信周期划分为两个时间片。在第一个时间片内对周期性数据进行转发;在第一个时间片周期性实时数据的发送间隙和第二个时间片内对非周期性实时数据进行发送,且可以对非实时性数据的发送进行抢占;在第二个时间片内对非实时性数据进行转发。以此来保证周期性数据通信的周期性和实时数据通信的实时性。2)为了满足工业以太网中不同类型数据的通信需求,本文基于时间敏感网络,对时间感知整形器的门调度算法进行改进,并结合加权轮询调度算法,提出了一种TAS-WRR调度算法,设计并实现了TAS-WRR调度机制。首先,该算法根据IEEE 802.1Q协议标准对数据划分不同的优先级。然后,对数据通信时间划分周期,并为高优先级的实时数据预留带宽,以保证其通信的实时性和周期性。最后,采用加权轮询调度的方式,在保证高优先级数据通信质量的同时,有效的减少低优先级数据的饥饿现象。通过与传统工业以太网的通信测试对比,可以看出TAS-WRR调度机制能很好的提高工业以太网通信的实时性。3)为了解决交换式工业以太网中因通信错误而带来的安全问题,本文设计了一种SIEPC安全机制。首先,该机制在数据通信终端和交换设备的协议栈中插入安全层,用于添加安全校验字段和对数据进行校验。其次,在交换设备对数据进行安全性预校验,丢弃错误数据使其不再继续向前通信,以减少带宽浪费。最后,在数据接收端进行安全性校验,保证用户层接收到的数据是正确的。通过测试,可以看出该机制可以有效的检测并处理具有安全问题的数据,能较好的提高交换式工业以太网的安全性。