金恒威淺談工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)須知的幾個問題
2018-1-9 14:44:41
隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，特別是高速以太網(wǎng)的出現(xiàn)使得以太網(wǎng)能夠克服了自己本身的缺陷，進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域成為工業(yè)以太網(wǎng),工業(yè)以太網(wǎng)被越來越多的人認(rèn)可，如果你正在使用工業(yè)以太網(wǎng)，下面這十條你一定要了解哦。
1、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
拓?fù)涫蔷W(wǎng)絡(luò)中電纜的布置。眾所周知，EIA-485或CAN采用總線型拓?fù)洹５诠I(yè)以太網(wǎng)中，由于普遍使用集線器或交換機(jī)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型或分散星型。
2、接線
工業(yè)以太網(wǎng)使用的電纜有屏蔽雙絞線（STP）、非屏蔽雙絞線（UTP）、多模或單模光纜。
10Mbps的速率對雙絞線沒有過高的要求，而在100Mbps速率下，推薦使用五類或超五類線。
光纖鏈接時需要一對，常用的多模光纖波長為62.5/125μm或50/125μm。與多模光纖的內(nèi)芯相比，單模光纖的內(nèi)芯很細(xì)，只有10μm左右。通常，10Mbps使用多模光纖，100Mbps下，單模、多模光纖都適用。
3、接頭和連接
雙絞線接頭中RJ-45較常見，共兩對線，一對用于發(fā)送，另一對用于接收。在媒介相關(guān)接口（MDI）的定義中，這四個信號分別標(biāo)識為RD+，RD-，TD+，TD-。
圖－RJ45接頭及端腳分配
一條通信鏈路由DTE（數(shù)據(jù)終端設(shè)備，如工作站）和DCE（數(shù)據(jù)通訊設(shè)備，如中繼器或交換機(jī)）組成。集線器端口標(biāo)識為MDI-X端口表明DTE和DCE可以使用直通電纜相連。假如是兩個DTE或兩個DCE相連？可以采用電纜交叉的方法或直接利用集線器提供的上連端口（電纜不要交叉）。
光纖接頭有兩種，ST接頭用于10Mbps或100Mbps；SC接頭專用于100Mbps。單模纖通常使用SC接頭。DTE與DCE之間的連接只需依照端口的TX、RX標(biāo)識即可。
4、工業(yè)以太網(wǎng)與普通商用以太網(wǎng)產(chǎn)品
什么是工業(yè)以太網(wǎng)？技術(shù)上，它與IEEE802.3兼容，但設(shè)計和包裝兼顧工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用的要求。工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)計者希望采用市場上可以找到的以太網(wǎng)芯片和媒介，兼顧考慮工業(yè)現(xiàn)場的特殊要求。首先考慮的是高溫、潮濕、震動。第二看是否能方便地安裝在工業(yè)現(xiàn)場控制柜內(nèi)。第三是電源要求。許多控制柜內(nèi)提供的電源都是低壓交流或直流。墻裝式電源裝置有時不能適應(yīng)。電磁兼容性（EMC）的要求隨工業(yè)環(huán)境對EMI（工業(yè)抗干擾）和ESD（工業(yè)抗震）要求的不同而變化。現(xiàn)場的安全標(biāo)準(zhǔn)與辦公室的完全不同。有時需要的是惡劣環(huán)境的額定值。工廠里采用的可能是工業(yè)控制柜標(biāo)準(zhǔn)而樓宇系統(tǒng)采用的往往是煙霧標(biāo)準(zhǔn)。顯然低價的商用以太網(wǎng)集線器和交換機(jī)無法達(dá)到這些要求。
5、速度和距離
討論共享型以太網(wǎng)的距離，不能忽略碰撞域（ Collision Domain）的概念。
圖－共享型以太網(wǎng)中的所有設(shè)備和聯(lián)線必須在一個碰撞域中
共享型以太網(wǎng)或半雙工以太網(wǎng)的媒體訪問是由載波偵聽多路訪問/碰撞檢測（CSMA/CD）確定的。在半雙工的通訊方式下，發(fā)送和接收不能同時進(jìn)行，否則數(shù)據(jù)會發(fā)生碰撞。站點(diǎn)發(fā)送前，首先要看是否有空閑的信道。發(fā)送時，站點(diǎn)還會在一段時間內(nèi)收聽，確保在這一時間內(nèi)沒有其它站點(diǎn)在進(jìn)行同步傳送，最終本站發(fā)送成功。反之，發(fā)生碰撞，源站點(diǎn)發(fā)送阻塞信號加強(qiáng)碰撞。競爭站點(diǎn)延遲后（延遲時間由算法確定，是隨機(jī)的）重試。在這種機(jī)制下，所有站點(diǎn)和所有集線器都必須在同一碰撞域內(nèi)。
對工業(yè)以太網(wǎng)來說，10Mbps和100Mbps是最常用的。在10Mbps，全部采用雙絞線的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，與距離有關(guān)的概念有兩個，即網(wǎng)段（Segment）和網(wǎng)絡(luò)范圍(Network Diameter)。前者指連接兩個設(shè)備（集線器、交換機(jī)或主機(jī)）的距離，后者指網(wǎng)絡(luò)中兩個最遠(yuǎn)端設(shè)備之間的距離。不管是10Mbps或100Mbps的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)段的最遠(yuǎn)距離不能超過100米。考慮網(wǎng)絡(luò)延伸，最有用的規(guī)則就是5-4-3規(guī)則（僅僅針對10Mbps中繼器）。規(guī)則的內(nèi)容如下：一個網(wǎng)絡(luò)最多有五個網(wǎng)段，四個中繼器，不多于三個的混合網(wǎng)段。混合網(wǎng)段指的是同軸總線網(wǎng)段（已淘汰）。由于雙絞線網(wǎng)段的最遠(yuǎn)距離是100米，最大網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)范圍）就是500米。
光纖網(wǎng)段的最遠(yuǎn)距離可達(dá)2公里，但I(xiàn)EEE802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，使用光纖，級聯(lián)數(shù)最多不能超過3個，且網(wǎng)絡(luò)末端需使用雙絞線，中間的兩個為光纖網(wǎng)段并保證每個網(wǎng)段不超過1公里。這樣，整個光纖網(wǎng)段長度限制在2公里。
5-4-3規(guī)則對100Mbps是不適用的。建議使用100Mbps交換機(jī)。
6、集線器和交換機(jī)
中繼型集線器（集線器）
集線器是構(gòu)成以太網(wǎng)拓?fù)涞幕驹O(shè)備，為多端口設(shè)備，有四、八、十二口等，可級聯(lián)構(gòu)成分散星型拓?fù)洹?br />集線器均符合IEEE802.3中繼單元要求。這些要求包括前導(dǎo)碼生成、對稱和幅度補(bǔ)償。中繼器必須對信號再定時，這樣收發(fā)器和電纜引起的信號抖動不會在多網(wǎng)段傳播時累積。這些設(shè)備能偵測出不完整的數(shù)據(jù)包和沖突，并產(chǎn)生一個阻塞信號相作用。它們還會自動隔離有問題的端口以維持網(wǎng)絡(luò)正常工作。
接口轉(zhuǎn)接器
另一系列產(chǎn)品是接口轉(zhuǎn)接器，有時稱為收發(fā)器。它們將一種媒介轉(zhuǎn)為另一種媒介。最重要的轉(zhuǎn)換是雙絞線至光纖的轉(zhuǎn)換。由于很多集線器沒有光纖端口，接口轉(zhuǎn)接器就是用來支持網(wǎng)絡(luò)中光纖的應(yīng)用的。這些設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中是透明。端口不存儲幀也不檢測碰撞，只是將一種媒介轉(zhuǎn)為另一端兼容的信號。
交換型集線器（交換機(jī)）
交換型集線器可以取代中繼型集線器并改善網(wǎng)絡(luò)的性能。與物理層設(shè)備－中繼型集線器不同，交換型集線器實際上是連接兩個數(shù)據(jù)鏈路的網(wǎng)橋，也就是說碰撞域在每個交換機(jī)端口進(jìn)行了終結(jié)。所以，增加了交換機(jī)就擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)地理上的范圍，級聯(lián)交換機(jī)可以大規(guī)模地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展
交換機(jī)比中繼型集線器復(fù)雜。雙絞線端口自動與附屬端口進(jìn)行速率協(xié)商（10Mbps還是100Mbps）。流量控制功能也通過協(xié)商進(jìn)行。全雙工網(wǎng)段采用PAUSE方案，半雙工網(wǎng)段通常采用backpressure方案。交換機(jī)讀取一個完整的幀并察看其源地址后就能查出所連以太網(wǎng)設(shè)備的端口位置。交換機(jī)隨即產(chǎn)生一張端口地址表格并維護(hù)表的內(nèi)容。從這時起，網(wǎng)絡(luò)通信僅限于與本次傳送有關(guān)的端口。由于同步的傳送無需任何操作即可在這些端口上實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量提高了。表的內(nèi)容會根據(jù)連接信息的變化自動刷新。
如果某個端口收到的信息需廣播發(fā)送、群組發(fā)送或發(fā)送地址不詳，交換機(jī)會自動把信息發(fā)至所有端口。
與中繼型集線器不同，這兒有多個碰撞域存在，每個碰撞域必須遵守上述的規(guī)則。
中繼集線器可以與交換機(jī)端口相連。如果網(wǎng)絡(luò)中都是交換機(jī)，則雙絞線網(wǎng)段保持100米，但級聯(lián)沒有限制。在使用光纖前必須先注明是半、全雙工。
中繼型集線器與交換型集線器的對比
顯然，交換機(jī)的性能比集線器提高一些，但集線器的優(yōu)點(diǎn)是，容易理解，在任何一個端口都可以通過網(wǎng)絡(luò)分析儀觀測數(shù)據(jù)通訊。交換機(jī)則必須在某個端口實現(xiàn)廣播發(fā)送方能測量。作為網(wǎng)橋，交換機(jī)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)整個數(shù)據(jù)幀并引起了數(shù)據(jù)的延遲。集線器接收網(wǎng)絡(luò)信號沒有數(shù)據(jù)延遲。交換機(jī)級聯(lián)還增加延時，因此，集線器和交換機(jī)在工業(yè)以太網(wǎng)中各有各的應(yīng)用場合。
7、半雙工、全雙工
半雙工意味著同一媒體的發(fā)送和接收是異步進(jìn)行的。全雙工則相反，有單獨(dú)的發(fā)送和接收通路。全雙工鏈路是擴(kuò)展快速以太網(wǎng)（100Mbps）的關(guān)鍵。全雙工的鏈接網(wǎng)段不能超過兩個設(shè)備，可以是網(wǎng)卡或交換機(jī)端口。注意：不是中繼型集線器端口，集線器沒有全雙工模式。這是因為集線器是碰撞域的一部分，它會加強(qiáng)其它端口接收的碰撞。只有兩塊網(wǎng)卡時可以實施全雙工通訊，多于兩塊網(wǎng)卡時的全雙工方式，必須考慮交換機(jī)。
10BASE-T、10BASE-FL有單獨(dú)的發(fā)送和接收通路，根據(jù)網(wǎng)卡或交換機(jī)端口的復(fù)雜性，可以執(zhí)行全雙工。如果這些接口配置在半雙工方式下，接收、發(fā)送的同步偵測會觸發(fā)碰撞的偵測。同樣的接口設(shè)置成全雙工，由于全雙工并不遵從共享型CSMA/CD規(guī)則，碰撞檢測會被禁止。
全雙工鏈接的配置要正確。當(dāng)站點(diǎn)配置在全雙工方式下，站點(diǎn)或交換型集線器的端口以忽略CSMA/CD協(xié)議的方式發(fā)送幀。如果另一端設(shè)置在半雙工方式下，它會偵測出碰撞并引發(fā)其它問題出現(xiàn)，如CRC出錯，網(wǎng)絡(luò)的速度下降，快速以太網(wǎng)的優(yōu)勢消失。
如前所述，由于碰撞的原因，100Mbps下的網(wǎng)絡(luò)范圍有所縮小。對于雙絞線網(wǎng)段和交換端口來說，網(wǎng)段的最長距離是100米（在碰撞域范圍內(nèi)）。問題是在光纖端口上，對于多模光纖來說，網(wǎng)段的長度是2公里；對于單模光纖來說，是15公里。半雙工方式下，受碰撞域限制，網(wǎng)段距離為412米。因此，只有在全雙工模式下（CSMA/CA被忽略），光纖網(wǎng)段的延伸才能達(dá)到極限。
快速以太網(wǎng)方式下，推薦使用交換機(jī)技術(shù)。快速以太網(wǎng)下的光纖端口，建議使用全雙工。
8、自動協(xié)商
隨著快速以太網(wǎng)使用廣泛、與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相似的接線規(guī)則，IEEE802.3u建議自動配置快速以太網(wǎng),使得傳統(tǒng)以太網(wǎng)端口能與其它快速以太網(wǎng)端口工作。該配置協(xié)議基于National Semiconductor’s NWay標(biāo)準(zhǔn)。雙絞線鏈路自動進(jìn)行速度匹配，以利于數(shù)據(jù)通訊的進(jìn)行。該方案適用于雙絞線鏈接。光纖的情況有所不同。盡管光纖在以太網(wǎng)的發(fā)展歷史中有非常重要的地位。但兩個光纖設(shè)備的速度無法進(jìn)行自動協(xié)商，這是因為10BASE-FL設(shè)備工作在850nm，100BASE-FX工作在1300nm。兩者無法互操作。但是，對于自動協(xié)商協(xié)議而言，兩個光纖設(shè)備間的自協(xié)商是可行的（如果通訊沒有問題的話）。意識到這一點(diǎn)，新推出的100BASE-SX標(biāo)準(zhǔn)可以使850nm光纖在10Mbps或100Mbps下工作。100Mbps下網(wǎng)段的距離為300米。因此，安裝時請注意。光纖的速率通常是固定的，不實行協(xié)商。自動協(xié)商協(xié)議在雙絞線鏈路是成功的。自動協(xié)商的優(yōu)點(diǎn)在于它使用戶無需進(jìn)行手工設(shè)置，完全由設(shè)備自身決定各自的技術(shù)水準(zhǔn)。級別高低如下：
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
其中最低的級別是10BASE-T（半雙工、共享以太網(wǎng)），最高為1000BASE-T全雙工。這是一個完整的優(yōu)先級別方案，但不表示某塊網(wǎng)卡可以處理所有這些技術(shù)。實際上，有一些技術(shù)在商業(yè)上并沒有實施，但它們都與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)一致。每個端口檢查各自的技術(shù)性能并確定最終的速率（較低的速率）。例如：如果網(wǎng)卡支持10BASE-T而交換機(jī)端口能力在10BASE-T或10BASE-TX，那么最終選擇的是10BASE-T。如果一塊網(wǎng)卡是10BASE-T，而另一塊100BASE-TX，兩者因為不兼容而無法通訊。
9、傳輸協(xié)議
圖－以太網(wǎng)定義在OSI模型的下兩層
最初設(shè)計并沒有涉及一個可靠的端到端的信息傳送。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)（兩個網(wǎng)絡(luò)互相通訊）的義務(wù)在第三層－網(wǎng)絡(luò)層。傳輸和互聯(lián)成為協(xié)議棧的一部分，TCP/IP 和SPX/IPX是常用的兩個協(xié)議。這兩個協(xié)議并不能互相操作，所以以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)須使用兼容的協(xié)議。由于TCP/IP在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，它成為主要協(xié)議，在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)也如此。實際上，TCP/IP是一組RFC定義的協(xié)議（request for comments），有很多年了。除了以太網(wǎng)，TCP/IP還和別的數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)工作，它位于物理層/數(shù)據(jù)鏈路層之上。傳輸層上，有兩個重要的協(xié)議：TCP和UDP。前者對接收的信息進(jìn)行確認(rèn)。兩者都很有用。在協(xié)議棧的上層，有多個有用的應(yīng)用層協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)使用。對于用戶來說，編址是個重要的話題。IP協(xié)議負(fù)責(zé)可能位于不同網(wǎng)絡(luò)中站點(diǎn)間數(shù)據(jù)包的路由。每個站點(diǎn)有唯一的32位地址（分別表示網(wǎng)絡(luò)地址、主機(jī)地址）。地址以點(diǎn)分十進(jìn)制四字節(jié)表示。128.8.120.5是個有效的地址但無法確定何為主機(jī)、何為網(wǎng)絡(luò)。地址分為五類，地址分為A~E類。通過觀察第一字節(jié)即可進(jìn)行分類。
IP的分配并不簡單，通常由網(wǎng)管分配。一旦分配好，就必須應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)中的各個站上。IP地址分靜態(tài)和動態(tài)分配兩種。動態(tài)分配由服務(wù)器進(jìn)行。靜態(tài)分配由配置進(jìn)行。下列地址為私人地址，在路由器上不能分配。因此，它們在互聯(lián)網(wǎng)上沒有應(yīng)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地址和以太網(wǎng)MAC地址是不同的，不能混淆。MAC地址由設(shè)備生產(chǎn)商分配，所以是全球唯一的。IP地址是安裝時分配并根據(jù)需要進(jìn)行重分配。
10、應(yīng)用層協(xié)議
確定所用的接頭、電纜，采用集線器還是交換機(jī)，分配了IP，就可以在站點(diǎn)間通訊了。現(xiàn)在需要考慮OSI高層的兼容性。這兒推薦的工業(yè)自動化協(xié)議有Ethernet/IP、iDA、PROFInet和Modbus/TCP。這還不包括傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用－FTP、SNMP、SMTP和TELNET。用戶手中的設(shè)備可能并不支持這些協(xié)議，所以需要理解自身系統(tǒng)的兼容性。
http://www.inmax.com.cn 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī),工業(yè)級PoE交換機(jī),工業(yè)交換機(jī)