第1讲工业以太网联网设备基本知识

今天的控制系统和工厂自动化系统，以太网的应用几乎已经和PLC一样普及。但现场工程师们对以太网的了解，大多来自他们对传统商业以太网的认识。很多控制系统工程的实施甚至是直接让IT部门的技术人员来实施。但是，IT工程师们对于以太网的了解，往往局限于办公自动化商业以太网的实施经验，可能导致工业以太网在工业控制系统中实施的简单化和商业化，不能真正理解工业以太网在工业现场的意义，也无法真正利用工业以太网内在的特殊功能，常常造成工业以太网现场 实施的不彻底，给整个控制系统留下不稳定因素。

　　那么选择正确的工业以太网要考虑哪些因素？简单的来说，要从以太网通讯协议、电源、通 信速率、工业环境认证考虑、安装方式、外壳对散热的影响、简单通信功能和通信管理功能、电口或光口的考虑。这些都是最基本需要了解的产品选择因素。如果对工业以太网的网络管理有更高要求，则需要考虑所选择产品的高级功能如：信号强弱、端口设置、出错报警、串口使用、主干(TrunkingTM)冗余、环网冗余、服务质量(QoS)、虚拟局域网(VLAN)、简单网络管理协议(SNMP)、端口镜像等等其他工业以太网管理交换机中可以提供的功能。不同的控制 系统对网络的管理功能要求不同，自然对管理型交换机的使用也有不同要求。控制工程师们应该根据其系统的设计要求，挑选适合自己系统的工业以太网产品。

　 　由于工业环境对工业控制网络可靠性能的超高要求，工业以太网的冗余功能应运而生。从快速生成树冗余(RSTP)、环网冗余(RapidRingTM)到 主干冗余(TrunkingTM)，都有各自不同的优势和特点，控制工程师们可以根据自己的要求进行选择。为了更好地帮助大家了解和学习工业以太网冗余技术的特点，让我们首先回顾以下以太网设备的发展过程。

集线器 (Hub)

　　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。

非管理型交换机 (Unmanaged Switch)

　　 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。

管理型交换机 (Managed Switch)

　　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设计上的优化。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。

1、STP及RSTP
STP(Spanning Tree Protocol，生成树算法，IEEE 802.1D)，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，IEEE 802.1w)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。

2、环网冗余RapidRingTM

　 　为了能满足工业控制网络实时性强的特点，RapidRingTM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。

局域网(LAN)是一种专用网络，通常局限于一个工厂的范围。虚拟局域网(VLAN)允许将一个物理上的单网络分割为若干个较小的逻辑LAN。VLAN限制广播域，提高安全性和改进性能，是用于从IT系统分离工业自动化系统的理想方案。

结构化的接线
　 　从现场总线技术迁移到工业以太网的优点之一可从评论“我们的工厂早已接线到以太网。我不需要敷设专门的接线，因为双绞线早已存在”中找到。这就是事实， 因为以太网电缆的安装遵照结构化接线的标准，如TIA/EIA-568-A Commercial Building Telecommunications Cabling Standard商业楼宇远程通信接线标准。根据这个标准将每个工作区的终端站接线到接线柜中的插座面板。这些插座面板还连接到安装在接线柜中的中继型集线器或交换型集线器(参阅图1)。终端站和集线器端口之间的交叉连接由短的跳接线实现。每个接线柜引出一根单线，它连接到位于设备室中的级联式集线器。所有接线柜馈送信号到设备室，设备室有可能不止一个, 但标准倾向于限制分层的层次数量。工厂车间级的装置以相似的方式接线，通过这种接线方式，所有车间中的站共享同一个LAN。

在这个Port VLAN的应用，位于中间的服务器是逻辑地连接到所有3个VLAN。

描述的是包括3个VLAN的端口VLAN应用示例，虽然能增加更多的VLAN，但只有一个VLAN-aware交换机位于LAN的中部。其他不是VLAN -aware的交换机则作为有关VLAN的部件。在VLAN-aware交换机的每个端口，均和一个公共端口相关联，它驻留一个服务器。这个VLAN的重 叠(overlapping)允许VLAN中的任何工作站访问该服务器。但是位于分隔的VLAN中的各个工作站相互并不知晓。
　　Port VLAN的一个主要优点是易于理解和方便作用。插座面板的端口可标志其有关的VLAN，连接特定的站到特定的VLAN很简单，只是移动软线就近连接。一个 更简单的方法是使用软件来完成这些工作。通过重新配置VLAN-aware交换机可将物理端口重新分配到不同的VLAN。如你希望添加若干个交换机以扩展 VLAN，你应该做什么呢？这是可能的，但需要对每个VALN的专用接线，这明显地限制了实现。因此，使用一个单独的VLAN-aware交换机的 Port VLAN是一个最好的解决方案。注意，分隔的Port VLAN并没有改变以太网的帧、终端站并没有意识到这个VLAN结构，如能从以太网帧的内容了解到VLAN关联则可以获得更大的灵活性。这种性能称为隐含 的标志(隐含于以太网帧内)，它允许VLAN使用相同的电缆结构来跨接多个交换机。

帧编码的VLAN方案(Frame Encoded VLAN Schemes)
　 　对Port VLAN来说，它不改变以太网帧式或任何在以太网帧中隐含的标志，站点并不了解VLAN的结构，有一个建立VLAN的替代方案，如所使用的交换机支持多种 不同方案的话。你只需简单地将特定的MAC地址关联到一个VLAN。通过这个方法，分配到该VLAN这个站可位于任何交换机的端口上，但仍然保持为连接到 一个特定的VLAN。显然，更换该站时，所有的交换机需要对这个新的MAC地址重新进行配置。另一个建立VLAN的方法是根据支持的网络操作系统来分隔站点，通过考察某些协议字段，报文帧只导向支持该操作系统的站点。当存在多个竞争的网络操作系统时，这些网络操作系统具有很不相同的以太网帧定义，因此这是 一个普遍采用的建立VLAN的方案。目前倾向于接受通用TCP/IP协议的潮流已限制对帧结构的选择。还有一个方案是通过带VLAN信息编码的以太网帧来 定义一个专用的协议。专用协议方案的问题是没有广泛的工业支持。为了获得广泛的工业支持，你需要有一个IEEE标准。

显性VLAN标志(Explicit VLAN Tagging)
　 　自70年代中期以来，以太网已广泛使用。其最大帧长度(不包括前同步字段)总是1518个字节。对于工业自动化应用，这个帧的长度是相当大的，因为大多数携带I/O信息的报文比较短。但是，在经历这些年后，看起来1518个字节似乎仍然不够。为了定义一个普遍能接受的VLAN标志，IEEE 802.1Q委员会决定需增加4个字节，要考虑到站点和中继器能否处理超长帧的问题和这个新标准需求对IEEE 802.3进行修订。至此，我们以前有关帧的最大长度的说法已不再正确，当增加VLAN标志后，帧的最大长度应是1522个字节而不是1518个字节。

通过使用802.1Q标签可达到最灵活的VLAN布局，
边缘交换机允许使用VLAN-aware站和VLAN-unaware终端站两者。

结论
　 　VLAN是将一个较大的LAN分割为可管理的子网络的有效手段。VLAN限制广播域，改进性能和提高安全性，并且是隔离工业自动化系统和IT系统，但同时又保持设备原有的结构化接线的理想方案。实现VLAN的最简单方案是Port VLAN，然而最有效的VLAN设计方案是IEEE 802.1Q VLAN标志的标准，它允许用户能够从LAN上的任何点访问任何VLAN，从而显著地提高移动性。