工業以太網基礎知識詳解

工業以太網基礎知識詳解
1、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，由於普遍使用集線器或交換機，拓撲結構為星型或分散星型。
2、接線
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，隻有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，一對用於發送，另一對用於接收。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-。

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接頭用於10Mbps或100Mbps；SC接頭專用於100Mbps。單模纖通常使用SC接頭。DTE與DCE之間的連接隻需依照端口的TX、RX標識即可。
4、工業以太網與普通商用以太網產品
什麼是工業以太網？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製櫃內。第三是電源要求。許多控製櫃內提供的電源都是低壓交流或直流。牆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（工業抗幹擾）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。工廠裏采用的可能是工業控製櫃標準而樓宇係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。
5、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。

圖－共享型以太網中的所有設備和聯線必須在一個碰撞域中
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。競爭站點延遲後（延遲時間由算法確定，是隨機的）重試。在這種機製下，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）和網絡範圍(Network Diameter)。前者指連接兩個設備（集線器、交換機或主機）的距離，後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，不多於三個的混合網段。混合網段指的是同軸總線網段（已淘汰）。由於雙絞線網段的最遠距離是100米，最大網絡（網絡範圍）就是500米。
光纖網段的最遠距離可達2公裏，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並保證每個網段不超過1公裏。這樣，整個光纖網段長度限製在2公裏。
5-4-3規則對100Mbps是不適用的。建議使用100Mbps交換機。
6、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衝突，並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
另一係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。由於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，隻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並改善網絡的性能。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範圍，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複雜。(//www.gdzxks.com/ 版權所有)雙絞線端口自動與附屬端口進行速率協商（10Mbps還是100Mbps）。流量控製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並察看其源地址後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並維護表的內容。從這時起，網絡通信僅限於與本次傳送有關的端口。由於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。

圖－交換機允許多個碰撞域的存在
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，但級聯沒有限製。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、轉發整個數據幀並引起了數據的延遲。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中各有各的應用場合。
7、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。隻有兩塊網卡時可以實施全雙工通訊，多於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複雜性，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，由於全雙工並不遵從共享型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，它會偵測出碰撞並引發其它問題出現，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，由於碰撞的原因，100Mbps下的網絡範圍有所縮小。對於雙絞線網段和交換端口來說，網段的最長距離是100米（在碰撞域範圍內）。問題是在光纖端口上，對於多模光纖來說，網段的長度是2公裏；對於單模光纖來說，是15公裏。半雙工方式下，受碰撞域限製，網段距離為412米。因此，隻有在全雙工模式下（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。
8、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。該配置協議基於National Semiconductor’s NWay標準。雙絞線鏈路自動進行速度匹配，以利於數據通訊的進行。該方案適用於雙絞線鏈接。光纖的情況有所不同。盡管光纖在以太網的發展曆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，對於自動協商協議而言，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。自動協商的優點在於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），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並沒有實施，但它們都與IEEE802.3標準一致。每個端口檢查各自的技術性能並確定最終的速率（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，那麼最終選擇的是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。
9、傳輸協議

圖－以太網定義在OSI模型的下兩層
最初設計並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。這兩個協議並不能互相操作，所以以太網節點須使用兼容的協議。由於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，它位於物理層/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使用。對於用戶來說，編址是個重要的話題。IP協議負責可能位於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）。地址以點分十進製四字節表示。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的分配並不簡單，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地址是安裝時分配並根據需要進行重分配。
10、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並不支持這些協議，所以需要理解自身係統的兼容性。