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2019全景工博會 2019工博會專題回顧
工業以太網

工業以太網交換機的專業術語

  2019年01月15日  

  工業以太網交換機與民用以太網交換機相比,工業以太網交換機產品在設計上以及在元器件的選用上,產品的強度和適用性方面都能滿足工業現場的需要。

  一、拓撲結構

  拓撲是網絡中電纜的布置。眾所周知,EIA-485或 CAN 采用總線型拓撲。但在工業以太 網中,由于普遍使用集線器或交換機,拓撲結構為星型或分散星型。

  二、接線

  工業以太網專題”>工業以太網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。與多模光纖的內芯相比,單模光纖的內芯很細,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。

  三、接頭和連接

  雙絞線接頭中 RJ-45 較常見,共兩對線,一對用于發送,另一對用于接收。在媒介相關 接口(MDI)的定義中,這四個信號分別標識為 RD+,RD-,TD+,TD-。

  一條通信鏈路由 DTE(數據終端設備,如工作站)和 DCE(數據通訊設備,如中繼器或 交換機)組成。集線器端口標識為 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 標識即可。

  四、工業以太網與普通商用以太網產品

  什么是工業以太網?技術上,它與 IEEE802.3 兼容,但設計和包裝兼顧工業和商業應用 的要求。工業現場的設計者希望采用市場上可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。第二看是否能方便地安裝在工業現場控制 柜內。第三是電源要求。許多控制柜內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。電磁兼容性(EMC)的要求隨工業環境對 EMI(工業抗干擾)和 ESD(工業 抗震)要求的不同而變化。現場的安全標準與辦公室的完全不同。有時需要的是惡劣環境的 額定值。工廠里采用的可能是工業控制柜標準而樓宇系統采用的往往是煙霧標準。顯然低價 的商用以太網集線器和交換機無法達到這些要求。

  五、 速度和距離

  討論共享型以太網的距離,不能忽略碰撞域( Collision Domain)的概念。

  共享型以太網或半雙工以太網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,發送和接收不能同時進行,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內收聽,確保在這一時間 內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 號加強碰撞。競爭站點延遲后(延遲時間由算法確定,是隨機的)重試。在這種機制下,所 有站點和所有集線器都必須在同一碰撞域內。

  對工業以太網來說,10Mbps 和 100Mbps 是最常用的。在 10Mbps,全部采用雙絞線的以 太網網絡中,與距離有關的概念有兩個,即網段(Segment)和網絡范圍(Network Diameter)。 前者指連接兩個設備(集線器、交換機或主機)的距離,后者指網絡中兩個最遠端設備之間 的距離。不管是 10Mbps 或 100Mbps 的網絡,網段的最遠距離不能超過 100 米。考慮網絡延 伸,最有用的規則就是 5-4-3 規則(僅僅針對 10Mbps 中繼器)。規則的內容如下:一個網絡 最多有五個網段,四個中繼器,不多于三個的混合網段。混合網段指的是同軸總線網段(已 淘汰)。由于雙絞線網段的最遠距離是 100 米,最大網絡(網絡范圍)就是 500 米。光纖網段的最遠距離可達 2 公里,但 IEEE802.3 標準規定,使用光纖,級聯數最多不能 超過 3 個,且網絡末端需使用雙絞線,中間的兩個為光纖網段并保證每個網段不超過 1 公里。這樣,整個光纖網段長度限制在 2 公里。5-4-3 規則對 100Mbps 是不適用的。建議使用 100Mbps 交換機。

  六、 集線器和交換機

  中繼型集線器(集線器) 集線器是構成以太網拓撲的基本設備,為多端口設備,有四、八、十二口等,可級聯構成分散星型拓撲。集線器均符合 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。 中繼器必須對信號再定時,這樣收發器和電纜引起的信號抖動不會在多網段傳播時累積。這 些設備能偵測出不完整的數據包和沖突,并產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絡正常工作。

  接口轉接器 另一系列產品是接口轉接器,有時稱為收發器。它們將一種媒介轉為另一種媒介。最重要的轉換是雙絞線至光纖的轉換。由于很多集線器沒有光纖端口,接口轉接器就是用來支持 網絡中光纖的應用的。這些設備在網絡中是透明。端口不存儲幀也不檢測碰撞,只是將一種 媒介轉為另一端兼容的信號。

  交換型集線器(交換機) 交換型集線器可以取代中繼型集線器并改善網絡的性能。與物理層設備-中繼型集線器不同,交換型集線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上的范圍,級聯交換機可以大規模地實 現網絡擴展交換機比中繼型集線器復雜。雙絞線端口自動與附屬端口進行速率協商(10Mbps 還是100Mbps)。流量控制功能也通過協商進行。全雙工網段采用 PAUSE 方案,半雙工網段通常 采用 backpressure 方案。交換機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設備 的端口位置。交換機隨即產生一張端口地址表格并維護表的內容。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即可在這些端口上實現,網絡的吞 吐量提高了。表的內容會根據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則。

  中繼集線器可以與交換機端口相連。如果網絡中都是交換機,則雙絞線網段保持 100 米,但級聯沒有限制。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,交換機的性能比集線器提高一些,但集線器的優點是,容易理解,在任何一個端口都可以通過網絡分析儀觀測數據通訊。交換機則必須在某個端口實現廣播發送方能測量。 作為網橋,交換機存儲、轉發整個數據幀并引起了數據的延遲。集線器接收網絡信號沒有數 據延遲。交換機級聯還增加延時,因此,集線器和交換機在工業以太網專題”>工業以太網中各有各的應用場合。

  七、 半雙工、全雙工

  半雙工意味著同一媒體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超過兩個 設備,可以是網卡或交換機端口。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,它會加強其它端口接收的碰撞。只有兩塊網卡時可以實 施全雙工通訊,多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復雜性, 可以執行全雙工。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確。當站點配置在全雙工方式下,站點或交換型集線器的端口以 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 下的網絡范圍有所縮小。對于雙絞線網段和交換 端口來說,網段的最長距離是 100 米(在碰撞域范圍內)。問題是在光纖端口上,對于多模光纖來說,網段的長度是 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),光纖網段的延伸 才能達到極限。快速以太網方式下,推薦使用交換機技術。快速以太網下的光纖端口,建議使用全雙工。

  八、 自動協商

  隨著快速以太網使用廣泛、與傳統以太網相似的接線規則,IEEE802.3u建議自動配置快 速以太網,使得傳統以太網端口能與其它快速以太網端口工作。該配置協議基于 National Semiconductor’s NWay 標準。雙絞線鏈路自動進行速度匹配,以利于數據通訊的進行。該方 案適用于雙絞線鏈接。光纖的情況有所不同。盡管光纖在以太網的發展歷史中有非常重要的 地位。但兩個光纖設備的速度無法進行自動協商,這是因為 10BASE-FL 設備工作在 850nm,100BASE-FX 工作在 1300nm。兩者無法互操作。但是,對于自動協商協議而言,兩個光纖設 備間的自協商是可行的(如果通訊沒有問題的話)。意識到這一點,新推出的 100BASE-SX 標 準可以使 850nm光纖在 10Mbps 或 100Mbps 下工作。100Mbps 下網段的距離為 300米。因此, 安裝時請注意。光纖的速率通常是固定的,不實行協商。自動協商協議在雙絞線鏈路是成功 的。自動協商的優點在于它使用戶無需進行手工設置,完全由設備自身決定各自的技術水準。 級別由高到低如下:

  1000BASE-T 全雙工 最高

  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 最低

  其中最低的級別是 10BASE-T(半雙工、共享以太網),最高為 1000BASE-T 全雙工。這 是一個完整的優先級別方案,但不表示某塊網卡可以處理所有這些技術。實際上,有一些技 術在商業上并沒有實施,但它們都與 IEEE802.3 標準一致。每個端口檢查各自的技術性能并 確定最終的速率(較低的速率)。例如:如果網卡支持 10BASE-T 而交換機端口能力在10BASE-T或 10BASE-TX,那么最終選擇的是 10BASE-T。如果一塊網卡是 10BASE-T,而另 一塊 100BASE-TX,兩者因為不兼容而無法通訊。

  九、 傳輸協議

  最初設計并沒有涉及一個可靠的端到端的信息傳送。網絡互聯(兩個網絡互相通訊)的 義務在第三層-網絡層。傳輸和互聯成為協議棧的一部分,TCP/IP 和 SPX/IPX 是常用的兩個 協議。這兩個協議并不能互相操作,所以以太網節點須使用兼容的協議。由于 TCP/IP 在互聯 網的應用,它成為主要協議,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),有很多年了。除了以太網,TCP/IP 還和別的數據鏈路技術工作,它 位于物理層/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 息進行確認。兩者都很有用。在協議棧的上層,有多個有用的應用層協議在工業以太網專題”>工業以太網使用。 對于用戶來說,編址是個重要的話題。IP 協議負責可能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(分別表示網絡地址、主機地址)。地址以點分十進制四字節表 示。128.8.120.5 是個有效的地址但無法確定何為主機、何為網絡。地址分為五類,地址分為A~E 類。通過觀察第一字節即可進行分類。

  IP 的分配并不簡單,通常由網管分配。一旦分配好,就必須應用在網絡中的各個站上。IP 地址分靜態和動態分配兩種。動態分配由服務器進行。靜態分配由配置進行。下列地址為 私人地址,在路由器上不能分配。因此,它們在互聯網上沒有應用。

  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 MAC地址是不同的,不能混淆。MAC地址由設備生產商分配,所以是 全球唯一的。IP 地址是安裝時分配并根據需要進行重分配。

  十、 應用層協議

  確定所用的接頭、電纜,采用集線器還是交換機,分配了 IP,就可以在站點間通訊了。 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-FTP、SNMP、SMTP和 TELNET。用戶手中 的設備可能并不支持這些協議,所以需要理解自身系統的兼容性。

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