工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)用于連接以太網(wǎng)設(shè)備。它首先接收由某臺設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)幀，然后再將這些幀傳送到與其它以太網(wǎng)設(shè)備相連的適當(dāng)交換機(jī)端口上。

隨著它傳送這些幀，它會學(xué)習(xí)并掌握以太網(wǎng)設(shè)備的位置，并用這些信息來決定該用哪些端口來傳送幀。這有助于減少網(wǎng)絡(luò)占用率。

與民用以太網(wǎng)交換機(jī)相比，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品在設(shè)計、元器件選擇、強(qiáng)度、適用性等方面都能滿足工業(yè)領(lǐng)域的需求。

關(guān)于工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，你應(yīng)該知道的10個技術(shù)術(shù)語。

一、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

拓?fù)涫蔷W(wǎng)絡(luò)中電纜的排列。眾所周知，EIA-485或CAN采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而，在工業(yè)以太網(wǎng)中，由于集線器或交換機(jī)被廣泛使用，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是星形或分散星形。

二，布線

工業(yè)以太網(wǎng)電纜包括屏蔽雙絞線(STP)、非屏蔽雙絞線(UTP)、多?；騿文９饫|。10Mbps的速率對于雙絞線來說不算太高，而在100Mbps的速率下，建議使用5類或5類以上的線。

鏈接需要一對光纖，常見的多模光纖的波長為62.5/125μm或50/125μm m，單模光纖的內(nèi)芯相對于多模光纖的內(nèi)芯非常細(xì)，只有10μm m左右，一般多模光纖在10Mbps時使用，單模和多模光纖在100Mbps時都適用。

三、接頭和連接

RJ-45是一種常見的雙絞線連接器，有兩對導(dǎo)線，一對用于傳輸，另一對用于接收。在媒體相關(guān)接口(MDI)的定義中，這四個信號分別被標(biāo)識為RD+、RD-、TD+、TD-。

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)通信設(shè)備，如中繼器或交換機(jī))組成。集線器端口標(biāo)識是MDI-X端口，表示DTE和DCE可以通過直通電纜連接。如果連接了兩個DTE或兩個DCE會怎樣?可以使用線纜交叉的方法，也可以直接使用hub提供的上行端口(不要交叉線纜)。

光纖連接器有兩種，ST連接器用于10Mbps或100MbpsSC連接器專用于100Mbps。SC連接器通常用于單模光纖。DTE和DCE之間的連接只需要遵循端口的TX和RX標(biāo)識。

四、工業(yè)以太網(wǎng)和普通商用以太網(wǎng)產(chǎn)品

什么是工業(yè)以太網(wǎng)？在技術(shù)上，它與IEEE802.3兼容，但設(shè)計和封裝考慮到了工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用的要求?？紤]到工業(yè)現(xiàn)場的特殊要求，工業(yè)設(shè)計師希望采用市場上可買到的以太網(wǎng)芯片和介質(zhì)。首先考慮的是高溫、潮濕和振動。第二，看能不能方便的安裝在工業(yè)現(xiàn)場控制柜中。第三是功率要求。許多控制柜中的電源是低壓交流或DC。壁掛式電源設(shè)備有時并不合適。電磁兼容性(EMC)的要求隨著工業(yè)環(huán)境對EMI(工業(yè)抗干擾)和ESD(工業(yè)抗震)的要求而變化。工地的安全標(biāo)準(zhǔn)和辦公室的完全不同。有時候需要的是惡劣環(huán)境的評級。工廠可能采用工業(yè)控制柜標(biāo)準(zhǔn)，而建筑系統(tǒng)往往采用排煙標(biāo)準(zhǔn)。顯然，低價商用以太網(wǎng)集線器和交換機(jī)無法滿足這些要求。

五、速度和距離

在討論共享以太網(wǎng)的距離時，我們不能忽略CollisionDomain這個概念。

共享以太網(wǎng)或半雙工以太網(wǎng)的媒體訪問由載波偵聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)決定。在半雙工通信模式下，發(fā)送和接收不能同時進(jìn)行，否則會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。發(fā)站點之前，先看看有沒有免費頻道。發(fā)送時，站點也會監(jiān)聽一段時間，確保這段時間內(nèi)沒有其他站點在同步發(fā)送，最終站點發(fā)送成功。相反，當(dāng)沖突發(fā)生時，源站發(fā)送阻塞信號來加劇沖突。在爭用延遲后重試(延遲時間由算法決定，是隨機(jī)的)。在這種機(jī)制下，所有站和所有集線器必須在同一個沖突域中。

對于工業(yè)以太網(wǎng)，最常用的是10Mbps和100Mbps。在10Mbps，全雙絞線以太網(wǎng)中，有兩個與距離有關(guān)的概念，即網(wǎng)段和網(wǎng)絡(luò)直徑。前者是指兩個設(shè)備(集線器、交換機(jī)或主機(jī))之間的距離，后者是指網(wǎng)絡(luò)中最遠(yuǎn)的兩個設(shè)備之間的距離。無論是10Mbps還是100Mbps的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)段的最遠(yuǎn)距離都不能超過100米?？紤]到網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，最有用的規(guī)則是5-4-3規(guī)則(僅適用于10Mbps中繼器)。

規(guī)則如下:一個網(wǎng)絡(luò)最多有五個網(wǎng)段，四個中繼器，不超過三個混合網(wǎng)段?；旌隙问侵竿S總線段(已過時)。由于雙絞線網(wǎng)段的最長距離為100m，因此最大網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)范圍)為500m。光纖網(wǎng)段最遠(yuǎn)距離可達(dá)2km，但I(xiàn)EEE802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，使用光纖時，級聯(lián)數(shù)最多不超過3個，網(wǎng)絡(luò)末端使用雙絞線。中間兩個是光纖網(wǎng)段，每個網(wǎng)段不能超過1公里。這樣，整個光纖網(wǎng)絡(luò)段的長度被限制在2km以內(nèi)。5-4-3規(guī)則不適用于100Mbps。建議使用100Mbps交換機(jī)。

六、集線器和交換機(jī)

中繼集線器(Hub)集線器是以太網(wǎng)拓?fù)涞幕A(chǔ)設(shè)備。它是一種多端口設(shè)備，具有四個、八個和十二個端口，可以級聯(lián)形成分布式星形拓?fù)?。所有集線器都符合IEEE802.3中繼單元的要求。這些要求包括前同步碼生成、對稱性和幅度補(bǔ)償。直放站必須對信號進(jìn)行重定時，使信號在多個網(wǎng)段傳播時，收發(fā)機(jī)和電纜引起的信號抖動不會累積。這些設(shè)備可以檢測不完整的數(shù)據(jù)包和沖突，并生成阻塞信號。它們還會自動隔離有問題的端口，以保持網(wǎng)絡(luò)正常工作。

適配器另一系列產(chǎn)品是接口適配器，有時稱為收發(fā)器。他們把一種媒介變成另一種。最重要的轉(zhuǎn)換是從雙絞線到光纖的轉(zhuǎn)換。因為很多集線器沒有光纖端口，所以使用接口適配器來支持光纖在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。這些設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中是透明。該端口不存儲幀或檢測沖突，而只是在另一端將一種介質(zhì)轉(zhuǎn)換成兼容的信號。

A型交換集線器(switch)交換集線器可以代替中繼集線器，提高網(wǎng)絡(luò)的性能。與物理層設(shè)備-中繼集線器不同，交換機(jī)集線器實際上是連接兩條數(shù)據(jù)鏈路的網(wǎng)橋，這意味著沖突域終止于每個交換機(jī)端口。所以增加交換機(jī)擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的地理范圍，級聯(lián)交換機(jī)可以大規(guī)模實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容。交換機(jī)比中繼集線器更復(fù)雜。雙絞線端口自動與附件端口協(xié)商速率(10Mbps或100Mbps)。流量控制功能也是通過協(xié)商實現(xiàn)的。全雙工網(wǎng)段采用暫停方案，半雙工網(wǎng)段通常采用背壓方案。在讀取完整的幀并查看其源地址后，交換機(jī)可以找到所連接的以太網(wǎng)設(shè)備的端口位置。然后，交換機(jī)生成一個端口地址表，并維護(hù)該表的內(nèi)容。從此，網(wǎng)絡(luò)通信僅限于與此傳輸相關(guān)的端口。因為在這些端口上不需要任何操作就可以實現(xiàn)同步傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。表格的內(nèi)容會根據(jù)連接信息的變化自動刷新。

如果一個端口接收到的信息需要廣播、分組發(fā)送或發(fā)送到未知地址，交換機(jī)會自動將信息發(fā)送到所有端口。與中繼集線器不同，它有多個沖突域，每個沖突域都必須遵守上述規(guī)則。

中繼集線器可以連接到交換機(jī)端口。如果網(wǎng)絡(luò)全是交換機(jī)，雙絞線網(wǎng)段保持100米，但級聯(lián)沒有限制。使用光纖前，必須注明是半雙工還是全雙工。中繼hub和交換機(jī)hub的對比很明顯，交換機(jī)的性能要比hub好，但是hub的優(yōu)點是容易理解，在任何端口都可以通過網(wǎng)絡(luò)分析儀觀察到數(shù)據(jù)通信。交換機(jī)必須在一個端口上實現(xiàn)廣播發(fā)送器來測量。作為網(wǎng)橋，交換機(jī)存儲和轉(zhuǎn)發(fā)整個數(shù)據(jù)幀，并導(dǎo)致數(shù)據(jù)延遲。集線器接收網(wǎng)絡(luò)信號時沒有數(shù)據(jù)延遲。級聯(lián)交換機(jī)也會增加延遲，因此集線器和交換機(jī)在工業(yè)以太網(wǎng)中有自己的應(yīng)用。

七、半雙工、全雙工

半雙工意味著相同媒體的發(fā)送和接收是異步的。另一方面，全雙工有單獨的發(fā)送和接收路徑。全雙工鏈路是擴(kuò)展快速以太網(wǎng)(100Mbps)的關(guān)鍵。全雙工鏈路網(wǎng)段不能超過兩臺設(shè)備，可以是網(wǎng)卡，也可以是交換機(jī)端口。注意:它不是中繼集線器端口，集線器沒有全雙工模式。這是因為集線器是沖突域的一部分，它會加強(qiáng)其它端口收到的沖突。只有兩塊網(wǎng)卡時，可以實現(xiàn)全雙工通信。當(dāng)有兩個以上網(wǎng)卡時，必須考慮切換。

0base-T和10BASE-FL有獨立的發(fā)送和接收通道，可以根據(jù)網(wǎng)卡或交換機(jī)端口的復(fù)雜程度進(jìn)行全雙工。如果這些接口配置為半雙工模式，接收和發(fā)送的同步檢測將觸發(fā)沖突檢測。同一接口設(shè)置為全雙工，沖突檢測將被禁止，因為全雙工不符合共享CSMA/CD規(guī)則。

應(yīng)該正確配置全雙工鏈路。當(dāng)工作站配置為全雙工模式時，工作站或交換集線器的端口會忽略CSMA/CD協(xié)議發(fā)送幀。如果另一端設(shè)置為半雙工模式，會檢測到?jīng)_突，并引起其他問題，如CRC錯誤，網(wǎng)絡(luò)速度下降，快速以太網(wǎng)的優(yōu)勢消失。

如前所述，100Mbps的網(wǎng)絡(luò)范圍因碰撞而縮小。對于雙絞線網(wǎng)段和交換機(jī)端口，網(wǎng)段的最長距離是100m(沖突域內(nèi))。問題是在光纖端口上，對于多模光纖，網(wǎng)段長度是2km對于單模光纖，是15km。半雙工模式下，由于沖突域的限制，網(wǎng)段距離為412m。因此，只有在全雙工模式下(忽略CSMA/CA)，光纖網(wǎng)段的擴(kuò)展才能達(dá)到極限。在快速以太網(wǎng)模式下，推薦使用交換機(jī)技術(shù)。快速以太網(wǎng)下的光纖端口，推薦全雙工。

八、自動談判

由于快速以太網(wǎng)應(yīng)用廣泛，其布線規(guī)則與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相似，IEEE802.3u建議自動配置快速以太網(wǎng)，以便傳統(tǒng)以太網(wǎng)端口可以與其他快速以太網(wǎng)端口一起工作。配置協(xié)議基于美國國家半導(dǎo)體公司的Way標(biāo)準(zhǔn)。雙絞線鏈路會自動匹配速度，以便于數(shù)據(jù)通信。該方案適用于雙絞線鏈路。光纖的情況就不同了。雖然光纖在以太網(wǎng)的發(fā)展史上扮演了非常重要的角色。但是兩個光纖設(shè)備的速度不能自動協(xié)商，因為10BASE-FL設(shè)備工作在850nm，100BASE-FX設(shè)備工作在1300nm。兩者無法互通。但是，對于自動協(xié)商協(xié)議，兩個光纖設(shè)備之間的自協(xié)商是可行的(如果通信沒有問題)。

意識到這一點，新推出的100BASE-SX標(biāo)準(zhǔn)可以使850nm光纖工作在10Mbps或100Mbps。100Mbps時，網(wǎng)段距離為300米。因此，安裝時請注意。光纖的速率通常是固定的，不進(jìn)行協(xié)商。自動協(xié)商協(xié)議在雙絞線鏈路中是成功的。自動協(xié)商的好處是不需要用戶手動設(shè)置，設(shè)備本身決定各自的技術(shù)水平。從高到低的級別如下:

100base-t全雙工最高，依次1000BASE-T、100BASE-T2全雙工、100BASE-TX全雙工、100BASE-T2、100BASE-T4、100BASE-TX、1base-t全雙工、0base-t最低。

最低級別是10BASE-T(半雙工，共享以太網(wǎng))，最高級別是1000BASE-T全雙工。這是一個完整的優(yōu)先級方案，但并不意味著某個網(wǎng)卡可以處理所有這些技術(shù)。實際上，有些技術(shù)并沒有實現(xiàn)商業(yè)化，但它們都符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。每個端口檢查自己的技術(shù)性能并確定最終速率(較低的速率)。例如，如果網(wǎng)卡支持10BASE-T，交換機(jī)端口容量為10BASE-T或10BASE-TX，那么最終選擇的是10base-T，如果一個網(wǎng)卡是10BASE-T，另一個是100BASE-TX，那么兩者因為不兼容而無法通信。

九、傳輸協(xié)議

最初的設(shè)計沒有涉及可靠的端到端信息傳輸。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)(兩個網(wǎng)絡(luò)互相通信)的義務(wù)在于第三層——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是兩種常用的協(xié)議。這兩種協(xié)議不能互相操作，因此以太網(wǎng)節(jié)點必須使用兼容的協(xié)議。由于TCP/IP在互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，它已經(jīng)成為主要的協(xié)議，在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中也是如此。其實TCP/IP是一套RFC定義的協(xié)議(requestforcomments)，已經(jīng)存在很多年了。

除了以太網(wǎng)之外，TCP/IP還與其他數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)一起工作，它位于物理層/數(shù)據(jù)鏈路層。在傳輸層，有兩個重要的協(xié)議:TCP和UDP。前者確認(rèn)收到的信息。兩者都很有用。在協(xié)議棧的上層，有幾種用于工業(yè)以太網(wǎng)的有用的應(yīng)用層協(xié)議。尋址對于用戶來說是一個重要的話題。IP協(xié)議負(fù)責(zé)可能位于不同網(wǎng)絡(luò)的站點之間的數(shù)據(jù)包路由。每個站點都有一個唯一的32位地址(分別是網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址)。地址用十進(jìn)制四字節(jié)表示。128.8.120.5是一個有效地址，但無法確定它是主機(jī)還是網(wǎng)絡(luò)。地址分為五類，地址分為A~E類?？梢酝ㄟ^觀察第一個字節(jié)來進(jìn)行分類。

IP的分配并不簡單，通常由網(wǎng)絡(luò)管理來分配。一旦分配，它必須應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)中的每個站。有兩種類型的IP地址：靜態(tài)和動態(tài)。動態(tài)分配由服務(wù)器執(zhí)行。靜態(tài)分配是通過配置完成的。以下地址是私有的，不能在路由器上分配。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地址是由設(shè)備制造商分配的，因此它在世界上是唯一的。IP地址在安裝期間分配，并根據(jù)需要重新分配。

十、應(yīng)用層協(xié)議

確定使用的連接器、電纜、集線器或交換機(jī)，分配IP，您就可以在站點之間進(jìn)行通信?，F(xiàn)在我們需要考慮OSI高層的兼容性。這里推薦的工業(yè)自動化協(xié)議是以太網(wǎng)/IP、iDA、PROFInet和Modbus/TCP。這還不包括傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序——FTP、SNMP、SMTP和TELNET。用戶的設(shè)備可能不支持這些協(xié)議，所以需要了解自己系統(tǒng)的兼容性。