工业以太网

工业以太网 工业以太网，所谓工业以太网通俗地讲就是应用于工业的以太网。 以太网是目前计算机局域网最常见的通信协议标准，但它是为办公自动化的应用而设 计的，并没有考虑到工业现场环境的需求，比如高温、低温、防尘等，所以以太网不能直接 应用于环境恶劣的工业现场。所以工业以太网就随之产生了。 现代以太网技术与智能建筑以太网发展至今已有20余年历程，作为局域网组网的主要技术，一直长久不衰。在这期间，令牌环、令牌总线、FDDI、ATM等技术分别在不同的阶段冲击着以太网在局域网领域的盟主地位。但是以太网以其简单、价廉、高带宽、维护方便以 及不断发展的特点牢牢地占领着局域网领域，并向着接入网和城域网领域发展。 自从以太网技术由共享发展到交换后，星型结构、交换与高带宽三大因素形成了与传 统以太网大不相同的现代以太网技术。 进入21世纪以来，IT界已经不再寻找替代以太网的技术，转而寻找增强以太网的功能 和将它扩展到新领域的途径。现代以太网组网功能已经大大地超越了基本的以太网功能。TCP ／IP与以太网是开放性的强强组合，逐步渗透到建筑智能化领域的各个方面，给予智能建 筑强大的生命力。在智能建筑领域，TCP／IP以太网不仅作为信息服务／管理／监控的网络 平台，而且越来越成为视频／语音等应用的支撑平台。可以认为，随着安防数字化进程的加 速，目前市场上直接采用标准双绞线和专用以太网来构成某些安防子系统的产品已经出现。 这样一来，出现基于以太网的多个子系统融合的、结构优化的、可靠的、—体化的安防系统 已经不是一种方向性的讨论了。在某些智能建筑的机电设备监控系统中，现场控制网络采用 工业控制以太网已不是个别的案例了。 传统以太网（DIX）的核心思想是在共享的公共传输媒体上以半双工传输模式丁作，网 络的站点在同一时刻要么发送数据，要么接收数据，而不能同时发送和接收。导致十双工传 输模式工作的主要原因在于公共传输媒体上站点发送帧的碰撞。这种帧碰撞效应不仪限制了 站点的传输带宽；而且还构成了束缚传输范围的碰撞域，大大影响了传输媒体（特别是光纤） 的传输距离。随着以太网络技术的发展，交换型和全双丁以太网的出现，从而克服了传统以 太网的共享公共传输媒体和半双工传输的弱点，实现了站点独占传输媒体并同时收发数据。 近20年来，随着网络技术及其应用的急剧发展，以太网技术及其标准不断更新和扩展。目 前的以太网不仅在物理层（包括拓扑结构、传输率和传输媒体），而且在数据链路层上与原 来的传统以太网DIX标准有了很大的变化。随着以太网的发展及其标准的建立，到目前为止， 以太网标准系列已扩展成20余个，其中几个主要标准由表1所示。 （1）高带宽；数据传输率从10Mbps经过100Mbps快速以太网和1Gbps千兆位以太网的发展，日前10Gbp s万兆位以太网已经开始应用在局域网的主干网上。特别在智能园 区，包括大型校园、于业同区、开发区以及特大型的住宅区中．在局域网的主干网上选用万 兆位以太网的案例已不是个别的。至于100Mbps和1Gbps以太网已经广泛地应用在智能建筑的局域网中。 （2）全光缆媒体的使用：在以太网发展的初期，传输媒体采用铜轴电缆，构成公共总 线结构。当10BASET／F出现后，构成了星型结构的以太网，采用了双绞线和光缆作为传输 媒体，以后发展的100BASE和1000BASE均是如此。当10000BASE出现后，构成了全光缆以太网，在万兆位以太网上不再使用双绞线或其他铜缆。 （3）总线型—星型—环路结构：以太网从共享型发展到交换型，其拓扑结构从总线型 发展到屋型。屋型结构的可靠性、可实施性、可维护性均优于总线结构，星型结构义推动了 综合布线技术的发展。目前以太网已经可以构成环路结构，特别用于光纤主干回路，进一步 提高了光纤主干回路数据传输的可靠性。 （4）单链路—聚合链路：交换机之间链路连接从单链路发展到目前的聚合链路。特别 在光纤主干回路上，聚合链路一般可达8路，既大大扩展了链路带宽（平滑连续地扩展）， 又提高了链路连接的可靠性。 相信绝大多数人都熟悉集线器。很多人使用这种简易设备去连接各种基于以太网的设 备，如个人计算机，可编程控制器等。集线器接收到来自某一端口的消息，再将消息广播到 其它所有的端口。对来自任一端口的每一条消息，集线器都会把它传递到其它的各个端口。 在消息传递方面，集线器是低速低效的，可能会出现消息冲突。然而，集线器的使用非常简 单－实际上可以即插即用。集线器没有任何华而不实的功能，也没有冗余功能。 集线器的发展产生了一种叫非管理型交换机的设备。它能实现消息从一个端口到另一 个端口的路由功能，相对集线器更加智能化。非管理型交换机能自动探测每台网络设备的网 络速度。另外，它具有一种称为“MAC地址表”的功能，能识别和记忆网络中的设备。换言 之，如果端口2收到一条带有特定识别码的消息，此后交换机就会将所有具有那种特定识别 码的消息发送到端口2。这种智能避免了消息冲突，提高了传输性能，相对集线器是一次巨 大的改进。然而，非管理型交换机不能实现任何形式的通信检测和冗余配置功能。 以太网连接设备发展的下一代产品是管理型交换机。相对集线器和非管理型交换机， 管理型交换机拥有更多更复杂的功能，价格也高出许多－通常是一台非管理型交换机的3～ 4倍。管理型交换机提供了更多的功能，通常可以通过基于网络的接口实现完全配置。它可 以自动与网络设备交互，用户也可以手动配置每个端口的网速和流量控制。一些老设备可能 无法使用自动交互功能，因此手动配置功能是必不可缺的。 绝大多数管理型交换机通常也提供一些高级功能，如用于远程监视和配置的SNMP(简单网络管理协议)，用于诊断的端口映射，用于网络设备成组的VLAN(虚拟局域网)，用于确保优先级消息通过的优先级排列功能等。利用管理型交换机，可以组建冗余网络。使用环形拓 扑结构，管理型交换机可以组成环形网络。每台管理型交换机能自动判断最优传输路径和备 用路径，当优先路径中断时自动阻断(block)备用路径。 管理型冗余交换机 高级的管理型冗余交换机提供了一些特殊的功能，特别是针对有稳定性、安全性方面 严格要求的冗余系统进行了上的优化。构建冗余网络的主要方式主要有以下几种，STP、RSTP；环网冗余RapidRingTM以及Trunking。 STP(SpanningTreeProtocol，生成树算法，IEEE802.1D)，是一个链路层协议，提供路 径冗余和阻止网络循环发生。它强令备用数据路径为阻塞(blocked)状态。如果一条路径有故障，该拓扑结构能借助激活备用路径重新配置及链路重构。网络中断恢复时间为30-60s之间。RSTP(快速生成树算法，IEEE802.1w)作为STP的升级，将网络中断恢复时间，缩短到 1-2s。生成树算法网络结构灵活，但也存在恢复速度慢的缺点。 为了能满足工控网络实时性强的特点，RapidRing孕育而生。这是在以太网网络中使用 环网提供高速冗余的一种技术。这个技术可以使网络在中断后300ms之内自行恢复。并可以通过交换机的出错继电连接、状态显示灯和SNMP设置等方法来提醒用户出现的断网现象。 这些都可以帮助诊断环网什么地方出现断开。 RapidRingTM也支持两个连接在一起的环网，使网络拓朴更为灵活多样。两个环通过双 通道连接，这些连接可以是冗余的，避免单个线缆出错带来的问题。 图解1：用管理型交换机实现RapidRing环网连接，网络中断恢复时间小于300ms 将不同交换机的多个端口设置为Trunking主干端口，并建立连接，则这些交换机之间 可以形成一个高速的骨干链接。不但成倍的提高了骨干链接的网络带宽，增强了网络吞吐量， 而且还还提供了另外一个功能，即冗余功能。如果网络中的骨干链接产生断线等问题，那么 网络中的数据会通过剩下的链接进行传递，保证网络的通讯正常。Trunking主干网络采用总线型和星型网络结构，理论通讯距离可以无限延长。该技术由于采用了硬件侦测及数据平 衡的方法，所以使网络中断恢复时间达到了新的高度，一般恢复时间在10ms以下。 图解：用管理型交换机实现Trunking主干连接，网络中断恢复时间小于10ms 拓扑是网络中电缆的 布置。众所周知，EIA-485或CAN采用总线型拓扑。但在工业以太网 中，由于普遍使用集线器或交换机，拓扑结构为星型或分散星型。 工业以太网使用的电缆有屏蔽双绞线（STP）、非屏蔽双绞线（UTP）、多模或单模光缆。 10Mbps的速率对双绞线没有过高的要求，而在100Mbps速率下，推荐使用五类或超五 类线。 光纤链接时需要一对，常用的多模光纤波长为62.5/125μm或50/125μm。与多模光纤的内芯相比，单模光纤的内芯很细，只有10μm左右。通常，10Mbps使用多模光纤，100Mbps下，单模、多模光纤都适用。 双绞线接头中RJ-45较常见，共两对线，一对用于发送，另一对用于接收。在媒介相 关接口（MDI）的定义中，这四个信号分别标识为RD+，RD-，TD+，TD-。 一条通信链路由DTE（数据终端设备，如工作站）和DCE（数据通讯设备，如中继器或交换机）组成。集线器端口标识为MDI-X端口表明DTE和DCE可以使用直通电缆相连。假如 是两个DTE或两个DCE相连？可以采用电缆交叉的方法或直接利用集线器提供的上连端口 （电缆不要交叉）。 光纤接头有两种，ST接头用于10Mbps或100Mbps；SC接头专用于100Mbps。单模纤通常使用SC接头。DTE与DCE之间的连接只需依照端口的TX、RX标识即可。 技术上，工业以太网与IEEE802.3兼容，但设计和包装兼顾工业和商业应用的要求。工业现场的设计者希望采用市场上可以找到的以太网芯片和媒介，兼顾考虑工业现场的特殊 要求。首先考虑的是高温、潮湿、震动。第二看是否能方便地安装在工业现场控制柜内。第 三是电源要求。许多控制柜内提供的电源都是低压交流或直流。墙装式电源装置有时不能适 应。电磁兼容性（EMC）的要求随工业环境对EMI（工业抗干扰）和ESD（工业抗震）要求的不同而变化。现场的安全标准与办公室的完全不同。有时需要的是恶劣环境的额定值。工厂 里采用的可能是工业控制柜标准而楼宇系统采用的往往是烟雾标准。显然低价的商用以太网 集线器和交换机无法达到这些要求。 讨论共享型以太网的距离，不能忽略碰撞域（CollisionDomain）的概念。 共享型以太网或半双工以太网的媒体访问是由载波侦听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD）确定的。在半双工的通讯方式下，发送和接收不能同时进行，否则数据会发生碰撞。站点发 送前，首先要看是否有空闲的信道。发送时，站点还会在一段时间内收听，确保在这一时间 内没有其它站点在进行同步传送，最终本站发送成功。反之，发生碰撞，源站点发送阻塞信 号加强碰撞。竞争站点延迟后（延迟时间由算法确定，是随机的）重试。在这种机制下，所 有站点和所有集线器都必须在同一碰撞 域内。 对工业以太网来说，10Mbps和100Mbps是最常用的。在10Mbps，全部采用双绞线的以太网网络中，与距离有关的概念有两个，即网段（Segment）和网络范围(NetworkDiameter)。前者指连接两个设备（集线器、交换机或主机）的距离，后者指网络中两个最远端设备之间 的距离。不管是10Mbps或100Mbps的网络，网段的最远距离不能超过100米。考虑网络延伸，最有用的规则就是5-4-3规则（仅仅针对10Mbps中继器）。规则的内容如下：一个网 络最多有五个网段，四个中继器，不多于三个的混合网段。混合网段指的是同轴总线网段（已 淘汰）。由于双绞线网段的最远距离是100米，最大网络（网络范围）就是500米。 光纤网段的最远距离可达2公里，但IEEE802.3标准规定，使用光纤，级联数最多不 能超过3个，且网络末端需使用双绞线，中间的两个为光纤网段并保证每个网段不超过1公里。这样，整个光纤网段长度限制在2公里。 5-4-3规则对100Mbps是不适用的。建议使用100Mbps交换机。 中继型集线器（集线器） 集线器是构成以太网拓扑的基本设备，为多端口设备，有四、八、十二口等，可级联 构成分散星型拓扑。 集线器均符合IEEE802.3中继单元要求。这些要求包括前导码生成、对称和幅度补偿。 中继器必须对信号再定时，这样收发器和电缆引起的信号抖动不会在多网段传播时累积。这 些设备能侦测出不完整的数据包和冲突，并产生一个阻塞信号相作用。它们还会自动隔离有 问题的端口以维持网络正常工作。 接口转接器 另一系列产品是接口转接器，有时称为收发器。它们将一种媒介转为另一种媒介。最 重要的转换是双绞线至光纤的转换。由于很多集线器没有光纤端口，接口转接器就是用来支 持网络中光纤的应用的。这些设备在网络中是透明。端口不存储帧也不检测碰撞，只是将一 种媒介转为另一端兼容的信号。 交换型集线器（交换机） 交换型集线器可以取代中继型集线器并改善网络的性能。与物理层设备－中继型集线 器不同，交换型集线器实际上是连接两个数据链路的网桥，也就是说碰撞域在每个交换机端 口进行了终结。所以，增加了交换机就扩展了网络地理上的范围，级联交换机可以大规模地 实现网络扩展 交换机比中继型集线器复杂。双绞线端口自动与附属端口进行速率协商（10Mbps还是 100Mbps）。流量控制功能也通过协商进行。全双工网段采用PAUSE，半双工网段通常采用backpressure方案。交换机读取一个完整的帧并察看其源地址后就能查出所连以太网 设备的端口位置。交换机随即产生一张端口地址表格并维护表的内容。从这时起，网络通信 仅限于与本次传送有关的端口。由于同步的传送无需任何操作即可在这些端口上实现，网络 的吞吐量提高了。表的内容会根据连接信息的变化自动刷新。 如果某个端口收到的信息需广播发送、群组发送或发送地址不详，交换机会自动把信 息发至所有端口。 与中继型集线器不同，这儿有多个碰撞域存在，每个碰撞域必须遵守上述的规则。 中继集线器可以与交换机端口相连。如果网络中都是交换机，则双绞线网段保持100 米，但级联没有限制。在使用光纤前必须先注明是半、全双工。 中继型集线器与交换型集线器的对比 显然，交换机的性 能比集线器提高一些，但集线器的优点是，容易理解，在任何一个端 口都可以通过网络分析仪观测数据通讯。交换机则必须在某个端口实现广播发送方能测量。 作为网桥，交换机存储、转发整个数据帧并引起了数据的延迟。集线器接收网络信号没有数 据延迟。交换机级联还增加延时，因此，集线器和交换机在工业以太网中各有各的应用场合。 半双工意味着同一媒体的发送和接收是异步进行的。全双工则相反，有单独的发送和 接收通路。全双工链路是扩展快速以太网（100Mbps）的关键。全双工的链接网段不能超过 两个设备，可以是网卡或交换机端口。注意：不是中继型集线器端口，集线器没有全双工模 式。这是因为集线器是碰撞域的一部分，它会加强其它端口接收的碰撞。只有两块网卡时可 以实施全双工通讯，多于两块网卡时的全双工方式，必须考虑交换机。 10BASE-T、10BASE-FL有单独的发送和接收通路，根据网卡或交换机端口的复杂性，可 以执行全双工。如果这些接口配置在半双工方式下，接收、发送的同步侦测会触发碰撞的侦 测。同样的接口设置成全双工，由于全双工并不遵从共享型CSMA/CD规则，碰撞检测会被禁止。 全双工链接的配置要正确。当站点配置在全双工方式下，站点或交换型集线器的端口 以忽略CSMA/CD协议的方式发送帧。如果另一端设置在半双工方式下，它会侦测出碰撞并引 发其它问题出现，如CRC出错，网络的速度下降，快速以太网的优势消失。 如前所述，由于碰撞的原因，100Mbps下的网络范围有所缩小。对于双绞线网段和交换 端口来说，网段的最长距离是100米（在碰撞域范围内）。问题是在光纤端口上，对于多模 光纤来说，网段的长度是2公里；对于单模光纤来说，是15公里。半双工方式下，受碰撞域限制，网段距离为412米。因此，只有在全双工模式下（CSMA/CA被忽略），光纤网段的延伸才能达到极限。 快速以太网方式下，推荐使用交换机技术。快速以太网下的光纤端口，建议使用全双 工。 随着快速以太网使用广泛、与传统以太网相似的接线规则，IEEE802.3u建议自动配置快速以太网,使得传统以太网端口能与其它快速以太网端口工作。该配置协议基于 NationalSemiconductor’sNWay标准。双绞线链路自动进行速度匹配，以利于数据通讯的 进行。该方案适用于双绞线链接。光纤的情况有所不同。尽管光纤在以太网的发展历史中有 非常重要的地位。但两个光纤设备的速度无法进行自动协商，这是因为10BASE-FL设备工作在850nm，100BASE-FX工作在1300nm。两者无法互操作。但是，对于自动协商协议而言， 两个光纤设备间的自协商是可行的（如果通讯没有问题的话）。意识到这一点，新推出的 100BASE-SX标准可以使850nm光纤在10Mbps或100Mbps下工作。100Mbps下网段的距离为300米。因此，安装时请注意。光纤的速率通常是固定的，不实行协商。自动协商协议在双 绞线链路是成功的。自动协商的优点在于它使用户无需进行手工设置，完全由设备自身决定 各自的技术水准。级别高低如下： 1000BASE-T全双工高 1000BASE-T 100BASE-T2全双工 100BASE-TX全双工 100BASE-T2 100BASE-T4 100BASE-TX 10BASE-T全双工 10BASE-T低 其中最低的级别是10BASE-T（半双工、共享以太网），最高为1000BASE-T全双工。这是一个完整的优先级别方案，但不表示某块网卡可以处理所有这些技术。实际上，有一些技 术在商业上并没有实施，但它们都与IEEE802.3标准一致。每个端口检查各自的技术性能并 确定最终的速率（较低的速率）。例如：如果网卡支持10BASE-T而交换机端口能力在10BASE-T或10BASE-TX，那么最终选择的是10BASE-T。如果一块网卡是10BASE-T，而另一块100BASE-TX，两者因为不兼容而无法通讯。 最初设计并没有涉及一个可靠的端到端的信息传送。网络互联（两个网络互相通讯） 的义务在第三层－网络层。传输和互联成为协议栈的一部分，TCP/IP和PX/IPX是常用的两个协议。这两个协议并不能互相操作，所以以太网节点须使用兼容的协议。由于TCP/IP在互联网的应用，它成为主要协议，在工业网络也如此。实际上，TCP/IP是一组RFC定义的协议（requestforcomments），有很多年了。除了以太网，TCP/IP还和别的数据链路技术工作，它位于物理层/数据链路层之上。传输层上，有两个重要的协议：TCP和UDP。前者对接收的信息进行确认。两者都很有用。在协议栈的上层，有多个有用的应用层协议在工业以 太网使用。对于用户来说，编址是个重要的话题。IP协议负责可能位于不同网络中站点间 数据包的路由。每个站点有唯一的32位地址（分别表示网络地址、主机地址）。地址以点 分十进制四字节表示。128.8.120.5是个有效的地址但无法确定何为主机、何为网络。地址 分为五类，地址分为A~E类。通过观察第一字节即可进行分类。 IP的分配并不简单，通常由网管分配。一旦分配好，就必须应用在网络中的各个站上。 IP地址分静态和动态分配两种。动态分配由服务器进行。静态分配由配置进行。下列地址 为私人地址，在路由器上不能分配。因此，它们在互联网上没有应用。 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地址和以太网MAC地址是不同的，不能混淆。MAC地址由设备生产商分配，所以是 全球唯一的。IP地址是安装时分配并根据需要进行重分配。 确定所用的接头、电缆，采用集线器还是交换机，分配了IP，就可以在站点间通讯了。现在需要考虑OSI高层的兼容性。这儿推荐的工业自动化协议有Ethernet/IP、iDA、PROFInet和Modbus/TCP。这还不包括传统互联网应用－FTP、SNMP、SMTP和TELNET。用户手中的设备可能并不支持这些协议，所以需要理解自身系统的兼容性。