金恒威淺談工業以太網交換機須知的幾個問題
2018-1-9 14:44:41
随着以太網技(jì )術的發展，特别是高速以太網的出現使得以太網能(néng)夠克服了自己本身的缺陷，進入工業領域成為(wèi)工業以太網,工業以太網被越來越多(duō)的人認可(kě)，如果你正在使用(yòng)工業以太網，下面這十條你一定要了解哦。
1、拓撲結構
拓撲是網絡中電(diàn)纜的布置。衆所周知，EIA-485或CAN采用(yòng)總線(xiàn)型拓撲。但在工業以太網中，由于普遍使用(yòng)集線(xiàn)器或交換機，拓撲結構為(wèi)星型或分(fēn)散星型。
2、接線(xiàn)
工業以太網使用(yòng)的電(diàn)纜有屏蔽雙絞線(xiàn)（STP）、非屏蔽雙絞線(xiàn)（UTP）、多(duō)模或單模光纜。
10Mbps的速率對雙絞線(xiàn)沒有過高的要求，而在100Mbps速率下，推薦使用(yòng)五類或超五類線(xiàn)。
光纖鏈接時需要一對，常用(yòng)的多(duō)模光纖波長(cháng)為(wèi)62.5/125μm或50/125μm。與多(duō)模光纖的内芯相比，單模光纖的内芯很(hěn)細，隻有10μm左右。通常，10Mbps使用(yòng)多(duō)模光纖，100Mbps下，單模、多(duō)模光纖都适用(yòng)。
3、接頭和連接
雙絞線(xiàn)接頭中RJ-45較常見，共兩對線(xiàn)，一對用(yòng)于發送，另一對用(yòng)于接收。在媒介相關接口（MDI）的定義中，這四個信号分(fēn)别标識為(wèi)RD+，RD-，TD+，TD-。
圖－RJ45接頭及端腳分(fēn)配
一條通信鏈路由DTE（數據終端設備，如工作(zuò)站）和DCE（數據通訊設備，如中繼器或交換機）組成。集線(xiàn)器端口标識為(wèi)MDI-X端口表明DTE和DCE可(kě)以使用(yòng)直通電(diàn)纜相連。假如是兩個DTE或兩個DCE相連？可(kě)以采用(yòng)電(diàn)纜交叉的方法或直接利用(yòng)集線(xiàn)器提供的上連端口（電(diàn)纜不要交叉）。
光纖接頭有兩種，ST接頭用(yòng)于10Mbps或100Mbps；SC接頭專用(yòng)于100Mbps。單模纖通常使用(yòng)SC接頭。DTE與DCE之間的連接隻需依照端口的TX、RX标識即可(kě)。
4、工業以太網與普通商用(yòng)以太網産品
什麽是工業以太網？技(jì )術上，它與IEEE802.3兼容，但設計和包裝(zhuāng)兼顧工業和商業應用(yòng)的要求。工業現場的設計者希望采用(yòng)市場上可(kě)以找到的以太網芯片和媒介，兼顧考慮工業現場的特殊要求。首先考慮的是高溫、潮濕、震動。第二看是否能(néng)方便地安(ān)裝(zhuāng)在工業現場控制櫃内。第三是電(diàn)源要求。許多(duō)控制櫃内提供的電(diàn)源都是低壓交流或直流。牆裝(zhuāng)式電(diàn)源裝(zhuāng)置有時不能(néng)适應。電(diàn)磁兼容性（EMC）的要求随工業環境對EMI（工業抗幹擾）和ESD（工業抗震）要求的不同而變化。現場的安(ān)全标準與辦公室的完全不同。有時需要的是惡劣環境的額定值。工廠裏采用(yòng)的可(kě)能(néng)是工業控制櫃标準而樓宇系統采用(yòng)的往往是煙霧标準。顯然低價的商用(yòng)以太網集線(xiàn)器和交換機無法達到這些要求。
5、速度和距離
讨論共享型以太網的距離，不能(néng)忽略碰撞域（ Collision Domain）的概念。
圖－共享型以太網中的所有設備和聯線(xiàn)必須在一個碰撞域中
共享型以太網或半雙工以太網的媒體(tǐ)訪問是由載波偵聽多(duō)路訪問/碰撞檢測（CSMA/CD）确定的。在半雙工的通訊方式下，發送和接收不能(néng)同時進行，否則數據會發生碰撞。站點發送前，首先要看是否有空閑的信道。發送時，站點還會在一段時間内收聽，确保在這一時間内沒有其它站點在進行同步傳送，最終本站發送成功。反之，發生碰撞，源站點發送阻塞信号加強碰撞。競争站點延遲後（延遲時間由算法确定，是随機的）重試。在這種機制下，所有站點和所有集線(xiàn)器都必須在同一碰撞域内。
對工業以太網來說，10Mbps和100Mbps是最常用(yòng)的。在10Mbps，全部采用(yòng)雙絞線(xiàn)的以太網網絡中，與距離有關的概念有兩個，即網段（Segment）和網絡範圍(Network Diameter)。前者指連接兩個設備（集線(xiàn)器、交換機或主機）的距離，後者指網絡中兩個最遠(yuǎn)端設備之間的距離。不管是10Mbps或100Mbps的網絡，網段的最遠(yuǎn)距離不能(néng)超過100米。考慮網絡延伸，最有用(yòng)的規則就是5-4-3規則（僅僅針對10Mbps中繼器）。規則的内容如下：一個網絡最多(duō)有五個網段，四個中繼器，不多(duō)于三個的混合網段。混合網段指的是同軸總線(xiàn)網段（已淘汰）。由于雙絞線(xiàn)網段的最遠(yuǎn)距離是100米，最大網絡（網絡範圍）就是500米。
光纖網段的最遠(yuǎn)距離可(kě)達2公裏，但IEEE802.3标準規定，使用(yòng)光纖，級聯數最多(duō)不能(néng)超過3個，且網絡末端需使用(yòng)雙絞線(xiàn)，中間的兩個為(wèi)光纖網段并保證每個網段不超過1公裏。這樣，整個光纖網段長(cháng)度限制在2公裏。
5-4-3規則對100Mbps是不适用(yòng)的。建議使用(yòng)100Mbps交換機。
6、集線(xiàn)器和交換機
中繼型集線(xiàn)器（集線(xiàn)器）
集線(xiàn)器是構成以太網拓撲的基本設備，為(wèi)多(duō)端口設備，有四、八、十二口等，可(kě)級聯構成分(fēn)散星型拓撲。
集線(xiàn)器均符合IEEE802.3中繼單元要求。這些要求包括前導碼生成、對稱和幅度補償。中繼器必須對信号再定時，這樣收發器和電(diàn)纜引起的信号抖動不會在多(duō)網段傳播時累積。這些設備能(néng)偵測出不完整的數據包和沖突，并産生一個阻塞信号相作(zuò)用(yòng)。它們還會自動隔離有問題的端口以維持網絡正常工作(zuò)。
接口轉接器
另一系列産品是接口轉接器，有時稱為(wèi)收發器。它們将一種媒介轉為(wèi)另一種媒介。最重要的轉換是雙絞線(xiàn)至光纖的轉換。由于很(hěn)多(duō)集線(xiàn)器沒有光纖端口，接口轉接器就是用(yòng)來支持網絡中光纖的應用(yòng)的。這些設備在網絡中是透明。端口不存儲幀也不檢測碰撞，隻是将一種媒介轉為(wèi)另一端兼容的信号。
交換型集線(xiàn)器（交換機）
交換型集線(xiàn)器可(kě)以取代中繼型集線(xiàn)器并改善網絡的性能(néng)。與物(wù)理(lǐ)層設備－中繼型集線(xiàn)器不同，交換型集線(xiàn)器實際上是連接兩個數據鏈路的網橋，也就是說碰撞域在每個交換機端口進行了終結。所以，增加了交換機就擴展了網絡地理(lǐ)上的範圍，級聯交換機可(kě)以大規模地實現網絡擴展
交換機比中繼型集線(xiàn)器複雜。雙絞線(xiàn)端口自動與附屬端口進行速率協商（10Mbps還是100Mbps）。流量控制功能(néng)也通過協商進行。全雙工網段采用(yòng)PAUSE方案，半雙工網段通常采用(yòng)backpressure方案。交換機讀取一個完整的幀并察看其源地址後就能(néng)查出所連以太網設備的端口位置。交換機随即産生一張端口地址表格并維護表的内容。從這時起，網絡通信僅限于與本次傳送有關的端口。由于同步的傳送無需任何操作(zuò)即可(kě)在這些端口上實現，網絡的吞吐量提高了。表的内容會根據連接信息的變化自動刷新(xīn)。
如果某個端口收到的信息需廣播發送、群組發送或發送地址不詳，交換機會自動把信息發至所有端口。
與中繼型集線(xiàn)器不同，這兒有多(duō)個碰撞域存在，每個碰撞域必須遵守上述的規則。
中繼集線(xiàn)器可(kě)以與交換機端口相連。如果網絡中都是交換機，則雙絞線(xiàn)網段保持100米，但級聯沒有限制。在使用(yòng)光纖前必須先注明是半、全雙工。
中繼型集線(xiàn)器與交換型集線(xiàn)器的對比
顯然，交換機的性能(néng)比集線(xiàn)器提高一些，但集線(xiàn)器的優點是，容易理(lǐ)解，在任何一個端口都可(kě)以通過網絡分(fēn)析儀觀測數據通訊。交換機則必須在某個端口實現廣播發送方能(néng)測量。作(zuò)為(wèi)網橋，交換機存儲、轉發整個數據幀并引起了數據的延遲。集線(xiàn)器接收網絡信号沒有數據延遲。交換機級聯還增加延時，因此，集線(xiàn)器和交換機在工業以太網中各有各的應用(yòng)場合。
7、半雙工、全雙工
半雙工意味着同一媒體(tǐ)的發送和接收是異步進行的。全雙工則相反，有單獨的發送和接收通路。全雙工鏈路是擴展快速以太網（100Mbps）的關鍵。全雙工的鏈接網段不能(néng)超過兩個設備，可(kě)以是網卡或交換機端口。注意：不是中繼型集線(xiàn)器端口，集線(xiàn)器沒有全雙工模式。這是因為(wèi)集線(xiàn)器是碰撞域的一部分(fēn)，它會加強其它端口接收的碰撞。隻有兩塊網卡時可(kě)以實施全雙工通訊，多(duō)于兩塊網卡時的全雙工方式，必須考慮交換機。
10BASE-T、10BASE-FL有單獨的發送和接收通路，根據網卡或交換機端口的複雜性，可(kě)以執行全雙工。如果這些接口配置在半雙工方式下，接收、發送的同步偵測會觸發碰撞的偵測。同樣的接口設置成全雙工，由于全雙工并不遵從共享型CSMA/CD規則，碰撞檢測會被禁止。
全雙工鏈接的配置要正确。當站點配置在全雙工方式下，站點或交換型集線(xiàn)器的端口以忽略CSMA/CD協議的方式發送幀。如果另一端設置在半雙工方式下，它會偵測出碰撞并引發其它問題出現，如CRC出錯，網絡的速度下降，快速以太網的優勢消失。
如前所述，由于碰撞的原因，100Mbps下的網絡範圍有所縮小(xiǎo)。對于雙絞線(xiàn)網段和交換端口來說，網段的最長(cháng)距離是100米（在碰撞域範圍内）。問題是在光纖端口上，對于多(duō)模光纖來說，網段的長(cháng)度是2公裏；對于單模光纖來說，是15公裏。半雙工方式下，受碰撞域限制，網段距離為(wèi)412米。因此，隻有在全雙工模式下（CSMA/CA被忽略），光纖網段的延伸才能(néng)達到極限。
快速以太網方式下，推薦使用(yòng)交換機技(jì )術。快速以太網下的光纖端口，建議使用(yòng)全雙工。
8、自動協商
随着快速以太網使用(yòng)廣泛、與傳統以太網相似的接線(xiàn)規則，IEEE802.3u建議自動配置快速以太網,使得傳統以太網端口能(néng)與其它快速以太網端口工作(zuò)。該配置協議基于National Semiconductor’s NWay标準。雙絞線(xiàn)鏈路自動進行速度匹配，以利于數據通訊的進行。該方案适用(yòng)于雙絞線(xiàn)鏈接。光纖的情況有所不同。盡管光纖在以太網的發展曆史中有非常重要的地位。但兩個光纖設備的速度無法進行自動協商，這是因為(wèi)10BASE-FL設備工作(zuò)在850nm，100BASE-FX工作(zuò)在1300nm。兩者無法互操作(zuò)。但是，對于自動協商協議而言，兩個光纖設備間的自協商是可(kě)行的（如果通訊沒有問題的話）。意識到這一點，新(xīn)推出的100BASE-SX标準可(kě)以使850nm光纖在10Mbps或100Mbps下工作(zuò)。100Mbps下網段的距離為(wèi)300米。因此，安(ān)裝(zhuāng)時請注意。光纖的速率通常是固定的，不實行協商。自動協商協議在雙絞線(xiàn)鏈路是成功的。自動協商的優點在于它使用(yòng)戶無需進行手工設置，完全由設備自身決定各自的技(jì )術水準。級别高低如下：
1000BASE-T 全雙工 高
1000BASE-T
100BASE-T2 全雙工
100BASE-TX 全雙工
100BASE-T2
100BASE-T4
100BASE-TX
10BASE-T 全雙工
10BASE-T 低
其中最低的級别是10BASE-T（半雙工、共享以太網），最高為(wèi)1000BASE-T全雙工。這是一個完整的優先級别方案，但不表示某塊網卡可(kě)以處理(lǐ)所有這些技(jì )術。實際上，有一些技(jì )術在商業上并沒有實施，但它們都與IEEE802.3标準一緻。每個端口檢查各自的技(jì )術性能(néng)并确定最終的速率（較低的速率）。例如：如果網卡支持10BASE-T而交換機端口能(néng)力在10BASE-T或10BASE-TX，那麽最終選擇的是10BASE-T。如果一塊網卡是10BASE-T，而另一塊100BASE-TX，兩者因為(wèi)不兼容而無法通訊。
9、傳輸協議
圖－以太網定義在OSI模型的下兩層
最初設計并沒有涉及一個可(kě)靠的端到端的信息傳送。網絡互聯（兩個網絡互相通訊）的義務(wù)在第三層－網絡層。傳輸和互聯成為(wèi)協議棧的一部分(fēn)，TCP/IP 和SPX/IPX是常用(yòng)的兩個協議。這兩個協議并不能(néng)互相操作(zuò)，所以以太網節點須使用(yòng)兼容的協議。由于TCP/IP在互聯網的應用(yòng)，它成為(wèi)主要協議，在工業網絡也如此。實際上，TCP/IP是一組RFC定義的協議（request for comments），有很(hěn)多(duō)年了。除了以太網，TCP/IP還和别的數據鏈路技(jì )術工作(zuò)，它位于物(wù)理(lǐ)層/數據鏈路層之上。傳輸層上，有兩個重要的協議：TCP和UDP。前者對接收的信息進行确認。兩者都很(hěn)有用(yòng)。在協議棧的上層，有多(duō)個有用(yòng)的應用(yòng)層協議在工業以太網使用(yòng)。對于用(yòng)戶來說，編址是個重要的話題。IP協議負責可(kě)能(néng)位于不同網絡中站點間數據包的路由。每個站點有唯一的32位地址（分(fēn)别表示網絡地址、主機地址）。地址以點分(fēn)十進制四字節表示。128.8.120.5是個有效的地址但無法确定何為(wèi)主機、何為(wèi)網絡。地址分(fēn)為(wèi)五類，地址分(fēn)為(wèi)A~E類。通過觀察第一字節即可(kě)進行分(fēn)類。
IP的分(fēn)配并不簡單，通常由網管分(fēn)配。一旦分(fēn)配好，就必須應用(yòng)在網絡中的各個站上。IP地址分(fēn)靜态和動态分(fēn)配兩種。動态分(fēn)配由服務(wù)器進行。靜态分(fēn)配由配置進行。下列地址為(wèi)私人地址，在路由器上不能(néng)分(fēn)配。因此，它們在互聯網上沒有應用(yòng)。
10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
172.16.0.0~172.31.255.255
192.168.0.0~192.168.255.255
IP地址和以太網MAC地址是不同的，不能(néng)混淆。MAC地址由設備生産商分(fēn)配，所以是全球唯一的。IP地址是安(ān)裝(zhuāng)時分(fēn)配并根據需要進行重分(fēn)配。
10、應用(yòng)層協議
确定所用(yòng)的接頭、電(diàn)纜，采用(yòng)集線(xiàn)器還是交換機，分(fēn)配了IP，就可(kě)以在站點間通訊了。現在需要考慮OSI高層的兼容性。這兒推薦的工業自動化協議有Ethernet/IP、iDA、PROFInet和Modbus/TCP。這還不包括傳統互聯網應用(yòng)－FTP、SNMP、SMTP和TELNET。用(yòng)戶手中的設備可(kě)能(néng)并不支持這些協議，所以需要理(lǐ)解自身系統的兼容性。
http://www.inmax.com.cn 工業以太網交換機,工業級PoE交換機,工業交換機
