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金恒威淺談工業(yè)以太網(wǎng)交換機須知的幾個(gè)問(wèn)題

2018-1-9 14:44:41

隨著(zhù)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,特別是高速以太網(wǎng)的出現使得以太網(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(lái)越多的人認可,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、拓撲結構
拓撲是網(wǎng)絡(luò )中電纜的布置。眾所周知,EIA-485或CAN采用總線(xiàn)型拓撲。但在工業(yè)以太網(wǎng)中,由于普遍使用集線(xiàn)器或交換機,拓撲結構為星型或分散星型。
2、接線(xiàn)
工業(yè)以太網(wǎng)使用的電纜有屏蔽雙絞線(xiàn)(STP)、非屏蔽雙絞線(xiàn)(UTP)、多?;騿文9饫|。
10Mbps的速率對雙絞線(xiàn)沒(méi)有過(guò)高的要求,而在100Mbps速率下,推薦使用五類(lèi)或超五類(lèi)線(xiàn)。
光纖鏈接時(shí)需要一對,常用的多模光纖波長(cháng)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。
3、接頭和連接
雙絞線(xiàn)接頭中RJ-45較常見(jiàn),共兩對線(xiàn),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(gè)信號分別標識為RD+,RD-,TD+,TD-。
圖-RJ45接頭及端腳分配
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(xiàn)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(gè)DTE或兩個(gè)DCE相連?可以采用電纜交叉的方法或直接利用集線(xiàn)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(zhuān)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。
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,但設計和包裝兼顧工業(yè)和商業(yè)應用的要求。工業(yè)現場(chǎng)的設計者希望采用市場(chǎng)上可以找到的以太網(wǎng)芯片和媒介,兼顧考慮工業(yè)現場(chǎng)的特殊要求。首先考慮的是高溫、潮濕、震動(dòng)。第二看是否能方便地安裝在工業(yè)現場(chǎng)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(shí)不能適應。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?,F場(chǎng)的安全標準與辦公室的完全不同。有時(shí)需要的是惡劣環(huán)境的額定值。工廠(chǎng)里采用的可能是工業(yè)控制柜標準而樓宇系統采用的往往是煙霧標準。顯然低價(jià)的商用以太網(wǎng)集線(xiàn)器和交換機無(wú)法達到這些要求。
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)中的所有設備和聯(lián)線(xiàn)必須在一個(gè)碰撞域中
共享型以太網(wǎng)或半雙工以太網(wǎng)的媒體訪(fǎng)問(wèn)是由載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/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(shí)進(jìn)行,否則數據會(huì )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(shí),站點(diǎn)還會(huì )在一段時(shí)間內收聽(tīng),確保在這一時(shí)間內沒(méi)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)送阻塞信號加強碰撞。競爭站點(diǎn)延遲后(延遲時(shí)間由算法確定,是隨機的)重試。在這種機制下,所有站點(diǎn)和所有集線(xiàn)器都必須在同一碰撞域內。
對工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)說(shuō),10Mbps和100Mbps是最常用的。在10Mbps,全部采用雙絞線(xiàn)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )中,與距離有關(guān)的概念有兩個(gè),即網(wǎng)段(Segment)和網(wǎng)絡(luò )范圍(Network Diameter)。前者指連接兩個(gè)設備(集線(xiàn)器、交換機或主機)的距離,后者指網(wǎng)絡(luò )中兩個(gè)最遠端設備之間的距離。不管是10Mbps或100Mbps的網(wǎng)絡(luò ),網(wǎng)段的最遠距離不能超過(guò)100米??紤]網(wǎng)絡(luò )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(gè)網(wǎng)絡(luò )最多有五個(gè)網(wǎng)段,四個(gè)中繼器,不多于三個(gè)的混合網(wǎng)段?;旌暇W(wǎng)段指的是同軸總線(xiàn)網(wǎng)段(已淘汰)。由于雙絞線(xiàn)網(wǎng)段的最遠距離是100米,最大網(wǎng)絡(luò )(網(wǎng)絡(luò )范圍)就是500米。
光纖網(wǎng)段的最遠距離可達2公里,但IEEE802.3標準規定,使用光纖,級聯(lián)數最多不能超過(guò)3個(gè),且網(wǎng)絡(luò )末端需使用雙絞線(xiàn),中間的兩個(gè)為光纖網(wǎng)段并保證每個(gè)網(wǎng)段不超過(guò)1公里。這樣,整個(gè)光纖網(wǎng)段長(cháng)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。
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(wǎng)拓撲的基本設備,為多端口設備,有四、八、十二口等,可級聯(lián)構成分散星型拓撲。
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(chēng)和幅度補償。中繼器必須對信號再定時(shí),這樣收發(fā)器和電纜引起的信號抖動(dòng)不會(huì )在多網(wǎng)段傳播時(shí)累積。這些設備能偵測出不完整的數據包和沖突,并產(chǎn)生一個(gè)阻塞信號相作用。它們還會(huì )自動(dòng)隔離有問(wèn)題的端口以維持網(wǎng)絡(luò )正常工作。
接口轉接器 
另一系列產(chǎn)品是接口轉接器,有時(shí)稱(chēng)為收發(fā)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(xiàn)至光纖的轉換。由于很多集線(xiàn)器沒(méi)有光纖端口,接口轉接器就是用來(lái)支持網(wǎng)絡(luò )中光纖的應用的。這些設備在網(wǎng)絡(luò )中是透明。端口不存儲幀也不檢測碰撞,只是將一種媒介轉為另一端兼容的信號。
交換型集線(xiàn)器(交換機) 
交換型集線(xiàn)器可以取代中繼型集線(xiàn)器并改善網(wǎng)絡(luò )的性能。與物理層設備-中繼型集線(xiàn)器不同,交換型集線(xiàn)器實(shí)際上是連接兩個(gè)數據鏈路的網(wǎng)橋,也就是說(shuō)碰撞域在每個(gè)交換機端口進(jìn)行了終結。所以,增加了交換機就擴展了網(wǎng)絡(luò )地理上的范圍,級聯(lián)交換機可以大規模地實(shí)現網(wǎng)絡(luò )擴展
交換機比中繼型集線(xiàn)器復雜。雙絞線(xiàn)端口自動(dòng)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(guò)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。交換機讀取一個(gè)完整的幀并察看其源地址后就能查出所連以太網(wǎng)設備的端口位置。交換機隨即產(chǎn)生一張端口地址表格并維護表的內容。從這時(shí)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(wú)需任何操作即可在這些端口上實(shí)現,網(wǎng)絡(luò )的吞吐量提高了。表的內容會(huì )根據連接信息的變化自動(dòng)刷新。
如果某個(gè)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,交換機會(huì )自動(dòng)把信息發(fā)至所有端口。
與中繼型集線(xiàn)器不同,這兒有多個(gè)碰撞域存在,每個(gè)碰撞域必須遵守上述的規則。
中繼集線(xiàn)器可以與交換機端口相連。如果網(wǎng)絡(luò )中都是交換機,則雙絞線(xiàn)網(wǎng)段保持100米,但級聯(lián)沒(méi)有限制。在使用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,交換機的性能比集線(xiàn)器提高一些,但集線(xiàn)器的優(yōu)點(diǎn)是,容易理解,在任何一個(gè)端口都可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )分析儀觀(guān)測數據通訊。交換機則必須在某個(gè)端口實(shí)現廣播發(fā)送方能測量。作為網(wǎng)橋,交換機存儲、轉發(fā)整個(gè)數據幀并引起了數據的延遲。集線(xiàn)器接收網(wǎng)絡(luò )信號沒(méi)有數據延遲。交換機級聯(lián)還增加延時(shí),因此,集線(xiàn)器和交換機在工業(yè)以太網(wǎng)中各有各的應用場(chǎng)合。
7、半雙工、全雙工
半雙工意味著(zhù)同一媒體的發(fā)送和接收是異步進(jìn)行的。全雙工則相反,有單獨的發(fā)送和接收通路。全雙工鏈路是擴展快速以太網(wǎng)(100Mbps)的關(guān)鍵。全雙工的鏈接網(wǎng)段不能超過(guò)兩個(gè)設備,可以是網(wǎng)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(méi)有全雙工模式。這是因為集線(xiàn)器是碰撞域的一部分,它會(huì )加強其它端口接收的碰撞。只有兩塊網(wǎng)卡時(shí)可以實(shí)施全雙工通訊,多于兩塊網(wǎng)卡時(shí)的全雙工方式,必須考慮交換機。
10BASE-T、10BASE-FL有單獨的發(fā)送和接收通路,根據網(wǎng)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(fā)送的同步偵測會(huì )觸發(fā)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(huì )被禁止。
全雙工鏈接的配置要正確。當站點(diǎn)配置在全雙工方式下,站點(diǎn)或交換型集線(xiàn)器的端口以忽略CSMA/CD協(xié)議的方式發(fā)送幀。如果另一端設置在半雙工方式下,它會(huì )偵測出碰撞并引發(fā)其它問(wèn)題出現,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(xiàn)網(wǎng)段和交換端口來(lái)說(shuō),網(wǎng)段的最長(cháng)距離是100米(在碰撞域范圍內)。問(wèn)題是在光纖端口上,對于多模光纖來(lái)說(shuō),網(wǎng)段的長(cháng)度是2公里;對于單模光纖來(lái)說(shuō),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)段的延伸才能達到極限。
快速以太網(wǎng)方式下,推薦使用交換機技術(shù)??焖僖蕴W(wǎng)下的光纖端口,建議使用全雙工。
8、自動(dòng)協(xié)商
隨著(zhù)快速以太網(wǎng)使用廣泛、與傳統以太網(wǎng)相似的接線(xiàn)規則,IEEE802.3u建議自動(dòng)配置快速以太網(wǎng),使得傳統以太網(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標準。雙絞線(xiàn)鏈路自動(dòng)進(jìn)行速度匹配,以利于數據通訊的進(jìn)行。該方案適用于雙絞線(xiàn)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(gè)光纖設備的速度無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)協(xié)商,這是因為10BASE-FL設備工作在850nm,100BASE-FX工作在1300nm。兩者無(wú)法互操作。但是,對于自動(dòng)協(xié)商協(xié)議而言,兩個(gè)光纖設備間的自協(xié)商是可行的(如果通訊沒(méi)有問(wèn)題的話(huà))。意識到這一點(diǎn),新推出的100BASE-SX標準可以使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(shí)請注意。光纖的速率通常是固定的,不實(shí)行協(xié)商。自動(dòng)協(xié)商協(xié)議在雙絞線(xiàn)鏈路是成功的。自動(dòng)協(xié)商的優(yōu)點(diǎn)在于它使用戶(hù)無(wú)需進(jìn)行手工設置,完全由設備自身決定各自的技術(shù)水準。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(gè)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(shí)際上,有一些技術(shù)在商業(yè)上并沒(méi)有實(shí)施,但它們都與IEEE802.3標準一致。每個(gè)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(wú)法通訊。
9、傳輸協(xié)議
圖-以太網(wǎng)定義在OSI模型的下兩層
最初設計并沒(méi)有涉及一個(gè)可靠的端到端的信息傳送。網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)(兩個(gè)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(gè)協(xié)議。這兩個(gè)協(xié)議并不能互相操作,所以以太網(wǎng)節點(diǎn)須使用兼容的協(xié)議。由于TCP/IP在互聯(lián)網(wǎng)的應用,它成為主要協(xié)議,在工業(yè)網(wǎng)絡(luò )也如此。實(shí)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還和別的數據鏈路技術(shù)工作,它位于物理層/數據鏈路層之上。傳輸層上,有兩個(gè)重要的協(xié)議:TCP和UDP。前者對接收的信息進(jìn)行確認。兩者都很有用。在協(xié)議棧的上層,有多個(gè)有用的應用層協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)使用。對于用戶(hù)來(lái)說(shuō),編址是個(gè)重要的話(huà)題。IP協(xié)議負責可能位于不同網(wǎng)絡(luò )中站點(diǎn)間數據包的路由。每個(gè)站點(diǎn)有唯一的32位地址(分別表示網(wǎng)絡(luò )地址、主機地址)。地址以點(diǎn)分十進(jìn)制四字節表示。128.8.120.5是個(gè)有效的地址但無(wú)法確定何為主機、何為網(wǎng)絡(luò )。地址分為五類(lèi),地址分為A~E類(lèi)。通過(guò)觀(guān)察第一字節即可進(jìn)行分類(lèi)。
IP的分配并不簡(jiǎn)單,通常由網(wǎng)管分配。一旦分配好,就必須應用在網(wǎng)絡(luò )中的各個(gè)站上。IP地址分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分配兩種。動(dòng)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(méi)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(wǎng)MAC地址是不同的,不能混淆。MAC地址由設備生產(chǎn)商分配,所以是全球唯一的。IP地址是安裝時(shí)分配并根據需要進(jìn)行重分配。
10、應用層協(xié)議
確定所用的接頭、電纜,采用集線(xiàn)器還是交換機,分配了IP,就可以在站點(diǎn)間通訊了?,F在需要考慮OSI高層的兼容性。這兒推薦的工業(yè)自動(dòng)化協(xié)議有Ethernet/IP、iDA、PROFInet和Modbus/TCP。這還不包括傳統互聯(lián)網(wǎng)應用-FTP、SNMP、SMTP和TELNET。用戶(hù)手中的設備可能并不支持這些協(xié)議,所以需要理解自身系統的兼容性。
                
http://www.inmax.com.cn 工業(yè)以太網(wǎng)交換機,工業(yè)級PoE交換機,工業(yè)交換機


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