2007年3月，以生產(chǎn)電纜和布線系統(tǒng)著名的BELDEN公司以約2.6億美元的現(xiàn)金價(jià)收購(gòu)了全球領(lǐng)先的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案提供商HIRSCHMANN，此舉讓業(yè)界大大意外：一個(gè)原來(lái)只在物理層做生意的公司購(gòu)并了目前工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)導(dǎo)級(jí)公司，這足以讓我們重新關(guān)注ISO的最低一層，也是最易讓人忽略的一層——物理層。 由于處于ＯＳＩ的工業(yè)以太網(wǎng)的物理層，規(guī)定了激活、維持、關(guān)閉通信端點(diǎn)之間的機(jī)械特性、電氣特性、功能特性以及過(guò)程特性，該層為數(shù)據(jù)鏈路層路層協(xié)議提供了一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)的物理媒體，這一層因?yàn)橄鄬?duì)簡(jiǎn)單而被忽略。所以本文我們將重點(diǎn)討論工業(yè)以太網(wǎng)物理層，針對(duì)適應(yīng)工業(yè)環(huán)境和系統(tǒng)的要求而采用的一些特殊技術(shù)，以及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)未來(lái)物理層的變化。 事實(shí)上，以太網(wǎng)技術(shù)已誕生近三十年，這期間它在最初的半雙工，介質(zhì)共享的技術(shù)基礎(chǔ)之上，已被多次改良優(yōu)化。尤其是從1994年開(kāi)始,以太網(wǎng)由于采用了10/100BASE-T技術(shù),使得它從ATM，ＦDDI，TOKEN RING等網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)大戰(zhàn)中脫穎而出，至今已成為 LAN（ocal Area Network）和WAN（Ｗide Area Network）市場(chǎng)的首選，廣泛商業(yè)化的運(yùn)用又使該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)成為一個(gè)高帶寬、高速度的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。工業(yè)化應(yīng)用后以太網(wǎng)仍可以被視為一種非常有效的網(wǎng)絡(luò)，但前提是在以太網(wǎng)多年演進(jìn)中積累的諸多技術(shù)中選用一組有效技術(shù)進(jìn)行組合應(yīng)用。 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的物理層主要包含工業(yè)網(wǎng)絡(luò)走線（布線）、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及帶NIC（網(wǎng)絡(luò)控制器）的前端設(shè)備。另外對(duì)于布線系統(tǒng)中的線纜媒介以及連接器等工業(yè)自動(dòng)化工程師熟悉的細(xì)節(jié)問(wèn)題本文不在贅述。，只討論工業(yè)網(wǎng)絡(luò)走線（布線）、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及帶NIC（網(wǎng)絡(luò)控制器）的前端設(shè)備的工作機(jī)制問(wèn)題。 一、關(guān)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)布線 物理層的布線系統(tǒng)應(yīng)該包含有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)兩種布線系統(tǒng)，這里暫時(shí)只對(duì)有線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的布線系統(tǒng)進(jìn)行描述。 工業(yè)以太網(wǎng)物理層的布線與商用網(wǎng)絡(luò)最大的區(qū)別在于布線對(duì)象和布線環(huán)境不同．其中關(guān)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)布線環(huán)境的問(wèn)題，研究頗多，這里也不在贅述。 布線對(duì)象 商用網(wǎng)關(guān)于布線系統(tǒng)在1991年由AT&T（現(xiàn)在AVAYA公司前身）公司給出過(guò)很好的定義。 商用布線系統(tǒng)是針對(duì)建筑物或建筑群為對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)布線系統(tǒng)。 它既使話音和數(shù)據(jù)通信設(shè)備、交換設(shè)備和其它信息管理系統(tǒng)彼此相連，也使這些設(shè)備與外部通信網(wǎng)絡(luò)相連接。它包括建筑物到外部網(wǎng)絡(luò)或電話局線路上的連線點(diǎn)與工作區(qū)的話音或數(shù)據(jù)終端之間的所有電纜及相關(guān)聯(lián)的布線部件。為按校園布局建造的建筑物或建筑群提供服務(wù)的系統(tǒng)既不包括電話局網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，也不包括連接到布線系統(tǒng)的交換裝置，如：專(zhuān)用小交換機(jī)、數(shù)據(jù)分組交換設(shè)備或終端設(shè)備本身。布線系統(tǒng)由不同系列的部件組成，其中包括：傳輸介質(zhì)、線路管理硬件、連接器、插座、插頭、適配器、傳輸電子線路、電氣保護(hù)設(shè)備和支持硬件。這些部件被用來(lái)構(gòu)建各種子系統(tǒng)，它們都有各自的具體用途，不僅易于實(shí)施，而且能隨通信需求的改變而平穩(wěn)過(guò)渡到增強(qiáng)型布線技術(shù)。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的布線系統(tǒng)對(duì)其服務(wù)的設(shè)備有一定的獨(dú)立性，并能互連許多不同的通信設(shè)備，如數(shù)據(jù)終端、模擬式和數(shù)字式電話機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)和主機(jī)、以及公共系統(tǒng)裝置。 要重視并預(yù)測(cè)工業(yè)以太網(wǎng)的物理層的未來(lái)，就應(yīng)該好好研究一下以太網(wǎng)的物理層系統(tǒng)；要研究以太網(wǎng)的物理層布線系統(tǒng)，就應(yīng)該從AVAYA的SYSTIMAX PDS系統(tǒng)開(kāi)始。 SYSTIMAX PDS 系統(tǒng) 建筑物綜合布線系統(tǒng)可以劃分為6個(gè)子系統(tǒng)： ＊ 工作區(qū)子系統(tǒng) ＊ 水平布線子系統(tǒng) ＊ 干線子系統(tǒng) ＊ 設(shè)備間了系統(tǒng) ＊ 管理子系統(tǒng) ＊ 建筑群子系統(tǒng) 通信和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的各種需求就確定了所需的子系統(tǒng)。從理論上講，大型通信系統(tǒng)可能需要用銅介質(zhì)和光纖介質(zhì)部件把全部上述子系統(tǒng)集成在一起。 工作區(qū)子系統(tǒng) 工作工布線子系統(tǒng)由終端設(shè)備連接到信息插座的連線（或軟線）組成，它包括裝配軟線、連接器和連接所需的擴(kuò)展軟線，并在終端設(shè)備和I/O之間搭橋。在進(jìn)行終端設(shè)備和I/O連接時(shí)，可能需要某種傳輸電子裝置，但是這種裝置并不是工作區(qū)子系統(tǒng)的一部分。例如，有限距離調(diào)制解調(diào)器能為終端與其它設(shè)備之間的兼容性和傳輸距離的延長(zhǎng)提供所需的轉(zhuǎn)換信號(hào)。有限距離調(diào)制解調(diào)器不需要內(nèi)部的保護(hù)線路，但一般的調(diào)制解調(diào)器都有內(nèi)部的保護(hù)線路。 水平布線子系統(tǒng) 水平布線子系統(tǒng)是整個(gè)布線系統(tǒng)的一部分，它將干線子系統(tǒng)線路延伸到用戶工作區(qū)。水平布線子系統(tǒng)與干線子系統(tǒng)的區(qū)別的于：水平布線子系統(tǒng)總是處在一個(gè)樓層上，并端接在信息插座上。在現(xiàn)有建筑物內(nèi)， 子系統(tǒng)都由25對(duì)線的電纜組成;而SYSTIMAX PDS將上述的電纜數(shù)限制為4對(duì)UTP（非屏蔽雙絞線），它們能支持大多數(shù)現(xiàn)代通信設(shè)備。在需要某些寬帶應(yīng)用時(shí)，可以采用光纜。 從用戶工作區(qū)的信息插座開(kāi)始，水平布線子系統(tǒng)在交連處端接;或在小型通信系統(tǒng)里，在以下任何一處進(jìn)行互連：衛(wèi)星接線間、干線接線間或設(shè)備間。在設(shè)備間中，當(dāng)終端設(shè)備位于同一樓層時(shí)，水平布線子系統(tǒng)將在布線交連處端接。在上面幾個(gè)樓層上，它將在干線接線間或衛(wèi)星接線間的交叉連接處端接。 管理子系統(tǒng) 管理子系統(tǒng)由交連、互連和I/O組成。管理點(diǎn)為連接其它子系統(tǒng)提供連接手段。交連和互連允許你將通信路定位或重定位到建筑物的不同部分，以便能更容易地管理通信線路。I/O位在用戶工作區(qū)和其它房間，使你在移動(dòng)終端設(shè)備時(shí)能方便地進(jìn)行插拔。 在使用跨接線或插入線時(shí)，交叉連接允許你將端接在單元一端的電纜上的通信線路連接到端接在單元另一端的電纜上的線路。跨接線是一根很短的單根導(dǎo)線，可將交叉連接處的兩條導(dǎo)線端點(diǎn)連接起來(lái);插入線包含幾根導(dǎo)線，而且每根導(dǎo)線末端均有一個(gè)連接器。插入線為重新安排線路提供一種簡(jiǎn)易的方法，而且不需要安裝跨接線時(shí)使用的專(zhuān)用工具。 互連完成交叉連接的相同目的，但不使用跨接線或插入線，只使用帶插頭的導(dǎo)線、插座和適配器?；ミB和交叉連接均使用于光纜。光纜交叉連接要求使用光纜的插入線——在兩端都有光連接器的短光纜。 根據(jù)布線安排和管理通信線路以適應(yīng)終端設(shè)備的位置變化的需要，在各種不同的交叉連接處可選用插入線。但在中繼線交叉連接處、布線交叉連接處和干線接線間里，通常已安裝好使用插入線的交叉連接硬件。 在衛(wèi)星接線區(qū)，如安裝在墻上的布線區(qū)，交叉連接可以不要插入線，因?yàn)榫€路經(jīng)常是通過(guò)跨接線連到I/O上的。在大型布線系統(tǒng)中的上述位置，交叉連接處經(jīng)常是將干線子系統(tǒng)的大型電纜轉(zhuǎn)換到連接I/O的小型水平電纜的過(guò)渡點(diǎn)。在線路重新布局時(shí)，一般不使用這種饋通式（feed、through）交叉連接。 干線子系統(tǒng) 干線子系統(tǒng)是整個(gè)建筑物綜合布線系統(tǒng)的一部分。它提供建筑物的干線（饋電線）電纜的路由。它通常是在兩個(gè)單元之間，特別是在位于中央點(diǎn)的公共系統(tǒng)設(shè)備處，提供多個(gè)線路設(shè)施。該子系統(tǒng)由所有的布線電纜組成，或者由導(dǎo)線和光纜以及將此光纜連到其它地方的相關(guān)支撐硬件組合而成。傳輸介質(zhì)可能包括一幢多層建筑物的樓層之間垂直布線的內(nèi)部電纜或從主要單元（如計(jì)算機(jī)機(jī)房或設(shè)備間和其它干線接線間）來(lái)的電纜。 為了與建筑物的其它建筑物進(jìn)行通信，干線子系統(tǒng)把設(shè)備間的中繼線和布線交叉連接點(diǎn)與建筑物間設(shè)施相連，以組成建筑群子系統(tǒng)。 為了提供與外部網(wǎng)絡(luò)的通信能力，干線子系統(tǒng)將中繼線交叉連接點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)接口（由電話局提供的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的一部分）連接起來(lái)。網(wǎng)絡(luò)接口通常放在設(shè)備間的近鄰房間。網(wǎng)絡(luò)接口為這些設(shè)施和建筑物綜合布線系統(tǒng)之間劃定界限。 建筑群子系統(tǒng) 建筑群子系統(tǒng)將一個(gè)建筑物中的電纜延伸到建筑群的另外一些建筑筘的通信設(shè)備和裝置上。它是整個(gè)布線系統(tǒng)中的一部分（包括傳輸介質(zhì)）并支持提供樓群之間通信設(shè)施所需的硬件，其中有導(dǎo)線電纜、光纜和防止電纜的浪涌電壓進(jìn)入建筑物的電氣保護(hù)設(shè)備。 設(shè)備布線子系統(tǒng) 設(shè)備布線子系統(tǒng)由設(shè)備間中的電纜、連接器和相關(guān)支撐硬件組成，它把公共系統(tǒng)設(shè)備的各種不同設(shè)備互連起來(lái)。該子系統(tǒng)將中繼線交叉連接處和布線交叉連接處與公共系統(tǒng)設(shè)備（如PBX）連接起來(lái)。該子系統(tǒng)還包括設(shè)備間和鄰近單元（如建筑物的入口區(qū)）中的導(dǎo)線。這些導(dǎo)線將設(shè)備或雷電保護(hù)裝置連接到符合美國(guó)電氣法規(guī)（NEC）的有效建筑物接地點(diǎn)。 工業(yè)布線系統(tǒng) 工業(yè)以太網(wǎng)的布線系統(tǒng)則是針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化對(duì)象，如FA（工廠自動(dòng)化）、PA（過(guò)程控制自動(dòng)化）而進(jìn)行布線的。它與AVAYA定義的布線系統(tǒng)部分相同，也存在明顯的差異。 IOANA在 2003年10月公布的 《規(guī)劃及安裝指南》（PLANNING AND Installation Guide）中推薦了EN50173和ISO/IEC11801定義的工業(yè)布線系統(tǒng) 其中每個(gè)建筑物至少有一個(gè)建筑的分線系統(tǒng)BD（Building distributor）所有的BD通過(guò)星型拓?fù)渑c園區(qū)分線系統(tǒng)CD（Compus Distributor）相連。其中CD可視作整個(gè)通訊的中樞 ，而B(niǎo)D之間可能由于安全的原因采用冗余。在一個(gè)建筑物內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的布線系統(tǒng)FD（Floor Distributor）可布置在不同的樓層，每層可以輻射2000平方米的范圍。有時(shí)候由于現(xiàn)場(chǎng)半位在30m左右也可用設(shè)備分線系統(tǒng)MD（Machine Distributor）來(lái)替換FD的概念。 從兩張圖的比較可以看出，AVAYA的SYSTEM MAX關(guān)于商用網(wǎng)的定義是非常詳盡的，六個(gè)子系統(tǒng)詳細(xì)的含蓋了商用網(wǎng)絡(luò)中的物理層布線部分。 EN50173和ISO/IEC11801對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)物理層布線系統(tǒng)的定義更合適FA和PA。因?yàn)榫湍壳肮I(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用情況而言，布線系統(tǒng)往往從BD直接就到前端設(shè)備。這種情況的出現(xiàn)應(yīng)該基于以下幾個(gè)原因： 1. 自動(dòng)化領(lǐng)域的相對(duì)于通用布線的水平布線子系統(tǒng)部分，目前還相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)需配線架（PATCH PANNEL）、大對(duì)數(shù)電纜等設(shè)備。 2 .SYSTEMAX的PDS系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)化模塊化的布線系統(tǒng)，其目的在于提高建筑物物理層的靈活性和可維護(hù)性，而這一點(diǎn)在FA/PA領(lǐng)域目前還不需要。 3. 由于沒(méi)有采用管理子系統(tǒng)的系列設(shè)備，如配線架、跳線以及墻座等，這樣做也減少了中間環(huán)節(jié)，使故障率下降，系統(tǒng)更可靠。 但是隨著IP技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的滲入，如果現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層也大量的采用IP設(shè)備（如Sensor Actator等）那么可以預(yù)見(jiàn)這兩個(gè)布線圖會(huì)越來(lái)越相似，只不過(guò)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的布線設(shè)備等級(jí)要求會(huì)更高，支持移動(dòng)性方面也會(huì)更高。 二、關(guān)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問(wèn)題 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是另一個(gè)在物理層上要考慮的問(wèn)題。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指的是如何在網(wǎng)絡(luò)中走線。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接是一個(gè)工作站和一個(gè)集線器的接口的連接，一個(gè)集線器和另一個(gè)集線器的連接，或一個(gè)工作站和另外一個(gè)工作站的連接。 關(guān)于工業(yè)以太網(wǎng)的研究表明， EN50173標(biāo)準(zhǔn) 和ISO/ IEC 11801標(biāo)準(zhǔn)所描述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在完成一些較小的修正后完全可以應(yīng)用到工業(yè)環(huán)境中。 而大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的用戶都比較熟悉總線型的連接即多個(gè)工作站共享一個(gè)通用的連接。EIA-485或控制器局域網(wǎng)（CAN） 是這些網(wǎng)絡(luò)的很好的例子。 但是，總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在工業(yè)以太網(wǎng)中不適合再存在。盡管10BASE2 和10BASE5 確實(shí)是總線型的基于同軸線纜的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，但由于它們局限于10Mbps的半雙工工作狀態(tài)，更由于它們不被包含在新興的商業(yè)樓宇的布線標(biāo)準(zhǔn)TIA/EIA-568-A 中，它們的用途在逐漸減少。 基于以上原因，工業(yè)以太網(wǎng)的布線多采用星式，即要求連接型集線器或交換型集線器。所以，大家不要再去考慮用總線型的方法去連接傳送系統(tǒng)一類(lèi)的網(wǎng)絡(luò)，盡管其非常簡(jiǎn)單。如果要使用工業(yè)以太網(wǎng)，就多使用星型、樹(shù)型或環(huán)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 在一個(gè)典型的工業(yè)環(huán)境中，我們可以從整體的角度做出分割，將其中的各個(gè)單元做如下的劃分： 1. CD == Campus distributor,即工業(yè)園區(qū)級(jí)節(jié)點(diǎn) 2. BD == Building distributor, 即廠房級(jí)節(jié)點(diǎn) 3. FD == Floor distributor，即車(chē)間級(jí)節(jié)點(diǎn) 4. MD == Machine distributor，即機(jī)器（設(shè)備）級(jí)節(jié)點(diǎn) 5. MO == Machine outlet，即設(shè)備輸出節(jié)點(diǎn) 6. TO == Terminal outlet，即終端輸出節(jié)點(diǎn) 在這種分割下，一個(gè)典型工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示： [align=center] 圖2.3 工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[/align] 對(duì)于各個(gè)設(shè)備輸出節(jié)點(diǎn)而言，其以星形連接方式接入設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。而這個(gè)接入設(shè)備，一般采用交換機(jī)。如在Ethernet/IP，HSE，EPA等方案中，均采用了全雙工式交換機(jī)＋100Base-TX的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。交換機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于其可通過(guò)改變沖突域,以消除網(wǎng)絡(luò)沖突的頻繁發(fā)生。不過(guò)在上游的兩個(gè)端口想同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到下游端口時(shí),其沖突還是會(huì)發(fā)生的。交換機(jī)可將共享的局域網(wǎng)進(jìn)行有效的網(wǎng)段劃分,使每個(gè)用戶盡可能地分享到最大帶寬,可以連接共享的以太網(wǎng)段及不同速度的局域網(wǎng),其交換技術(shù)處在網(wǎng)絡(luò)七層模型中的第二層,即數(shù)據(jù)鏈路層中進(jìn)行操作,因此常被稱為第二層交換。交換機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)是以以太網(wǎng)的目的介質(zhì)存取控制（MAC）為基礎(chǔ)的,其端口通過(guò)提取每個(gè)發(fā)送到交換機(jī)的數(shù)據(jù)包的源MAC地址,得到MAC目的地址及與接收該數(shù)據(jù)包的端口之間的關(guān)系后,就得知了端口與MAC目的地址之間的關(guān)系，交換機(jī)對(duì)用戶的可用帶寬的改善作用非常明顯。但由于第二層交換主要依靠MAC地址來(lái)傳送幀信息,采用其不斷收集到的資料建立一個(gè)地址表,并記錄下每個(gè)MAC地址所來(lái)自的端口,將每個(gè)以太網(wǎng)包從正確的端口加以發(fā)送，當(dāng)一個(gè)廣播包到來(lái)時(shí),需將其發(fā)往交換機(jī)的所有端口,對(duì)于一個(gè)只有交換機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)極易引發(fā)廣播風(fēng)暴。并且,由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,需要由交換機(jī)與路由器結(jié)合使用,并出現(xiàn)了一些缺陷,為此出現(xiàn)了第三層，第四層交換技術(shù)，這里就不在贅述。 一個(gè)典型的使用交換機(jī)連接的設(shè)備組態(tài)如下圖所示： [align=center] 圖2.4 一個(gè)典型的交換機(jī)連接[/align] 與工業(yè)環(huán)境相關(guān)的另一個(gè)拓?fù)溥B接的特性是冗余。 在一般商業(yè)應(yīng)用上，以太網(wǎng)的冗余技術(shù)并不顯得非常重要。以往的集線器 （Hub），交換機(jī) （Switch） 被很多人使用去連接各種基于以太網(wǎng)的設(shè)備（如PC）。集線器接收到來(lái)自某一端口的消息，再將消息廣播到其它所有的端口。對(duì)來(lái)自任一端口的每一條消息，集線器都會(huì)把它傳遞到其它的各個(gè)端口。而交換機(jī)能實(shí)現(xiàn)消息從一個(gè)端口到另一個(gè)端口的路由功能，其可以自動(dòng)探測(cè)每臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)速度。借助一種稱為“MAC地址表”的功能，交換機(jī)還能識(shí)別和記憶網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。這種智能避免了消息沖突，提高了傳輸性能，相對(duì)集線器是一次巨大的改進(jìn)。但集線器和交換機(jī)這樣的設(shè)備在顧及了使用的簡(jiǎn)單性和價(jià)格優(yōu)勢(shì)之后，也隨之失去了實(shí)現(xiàn)諸如冗余功能這樣的高級(jí)要求的可能。 隨后發(fā)展出的管理型交換機(jī) （Managed Switch）相對(duì)于集線器和普通交換機(jī)，擁有了更多更復(fù)雜的功能，其通常可以通過(guò)基于網(wǎng)絡(luò)的接口實(shí)現(xiàn)完全配置。它可以自動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交互，用戶也可以手動(dòng)配置每個(gè)端口的網(wǎng)速和流量控制。 絕大多數(shù)管理型交換機(jī)還提供一些高級(jí)功能，如用于遠(yuǎn)程監(jiān)視和配置的SNMP（簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議），用于診斷的端口映射，用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成組的VLAN（虛擬局域網(wǎng)），用于確保優(yōu)先級(jí)消息通過(guò)的優(yōu)先級(jí)排列功能等。 這些新型功能的加入，使得利用管理型交換機(jī)，可以組建冗余網(wǎng)絡(luò)。使用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，管理型交換機(jī)可以組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。每臺(tái)管理型交換機(jī)能自動(dòng)判斷最優(yōu)傳輸路徑和備用路徑，當(dāng)優(yōu)先路徑中斷時(shí)自動(dòng)阻斷（block）備用路徑。 而隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于冗余功能的要求變得突出，出現(xiàn)了專(zhuān)門(mén)在冗余方面做出功能擴(kuò)展的管理型冗余交換機(jī)。此類(lèi)交換機(jī)提供了一些特殊的功能，特別是針對(duì)有穩(wěn)定性、安全性方面嚴(yán)格要求的冗余系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)上的優(yōu)化。 通常構(gòu)建冗余網(wǎng)絡(luò)的方式主要有以下幾種，STP、RSTP； 環(huán)路冗余及主干Trunking技術(shù)。 1、STP及RSTP STP（Spanning Tree Protocol），是作為一個(gè)鏈路層協(xié)議（IEEE 802.1D）存在的，提供路徑冗余和阻止網(wǎng)絡(luò)循環(huán)發(fā)生。它做法是強(qiáng)令備用數(shù)據(jù)路徑為阻塞（blocked）狀態(tài)。如果一條路徑有故障，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時(shí)間為30-60s之間。RSTP（快速生成樹(shù)算法，IEEE 802.1w）作為STP的升級(jí)，將網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時(shí)間，縮短到1-2s。STP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活，但存在恢復(fù)速度慢的缺點(diǎn)。在很多的工業(yè)環(huán)境中并不適用。 2、環(huán)路冗余 在STP之后，為了能滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，開(kāi)始采用環(huán)路連接網(wǎng)絡(luò)的方式實(shí)現(xiàn)冗余快速恢復(fù)。采用這種技術(shù)可以使網(wǎng)絡(luò)在中斷后300ms之內(nèi)自行恢復(fù)。并可以通過(guò)交換機(jī)的出錯(cuò)繼電連接、狀態(tài)顯示燈和SNMP設(shè)置等方法來(lái)提醒用戶出現(xiàn)的斷網(wǎng)現(xiàn)象。這些都可以幫助診斷環(huán)網(wǎng)什么地方出現(xiàn)斷開(kāi)。 環(huán)路冗余大體可以采用三種方法： ＊ 單機(jī)單環(huán)冗余。 ＊ 雙機(jī)單環(huán)冗余。 ＊ 雙機(jī)雙環(huán)冗余。 雙環(huán)的主要優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)雙通道連接，從而避免單個(gè)線纜出錯(cuò)帶來(lái)的問(wèn)題。雙機(jī)同樣也可以避免單個(gè)設(shè)備出錯(cuò)帶來(lái)的問(wèn)題。 3、主干冗余Trunking技術(shù) 這種方式是將不同交換機(jī)的多個(gè)端口設(shè)置為T(mén)runking主干端口，并建立連接，這樣在交換機(jī)之間可以形成一個(gè)高速的骨干鏈接。不但成倍的提高了骨干鏈接的網(wǎng)絡(luò)帶寬，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，而且還還提供了另外一個(gè)功能，即冗余功能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的骨干鏈接產(chǎn)生斷線等問(wèn)題，那么網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)剩下的鏈接進(jìn)行傳遞，保證網(wǎng)絡(luò)的通訊正常。Trunking主干網(wǎng)絡(luò)可以采用總線型和星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，理論通訊距離可以無(wú)限延長(zhǎng)。該技術(shù)由于采用了硬件偵測(cè)及數(shù)據(jù)平衡的方法，所以使網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時(shí)間達(dá)到了新的高度，一般恢復(fù)時(shí)間可以達(dá)到10ms以下。 由于冗余會(huì)明顯加大設(shè)備成本，所以采用什么樣的冗余結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)根據(jù)項(xiàng)目工程需要來(lái)考慮。 最后一個(gè)有關(guān)拓?fù)涞膯?wèn)題是連接線長(zhǎng)和連接能力的問(wèn)題。 商用以太網(wǎng)在線長(zhǎng)和連接能力方面有著名的5-4-3規(guī)則：網(wǎng)絡(luò)中可以有5個(gè)網(wǎng)段，通過(guò)4個(gè)中繼器連接，但只有3個(gè)網(wǎng)段可以連接計(jì)算機(jī)。 這些類(lèi)似的規(guī)則在工業(yè)以太網(wǎng)的環(huán)境中仍然發(fā)揮著作用。事實(shí)上，在類(lèi)似于化工等工業(yè)車(chē)間中，連接線長(zhǎng)的問(wèn)題是非常突出的。在使用以雙絞線為基礎(chǔ)的線纜還是使用光纖的問(wèn)題上，一個(gè)重要的考慮方面就是連接線長(zhǎng)的問(wèn)題。在不使用中繼器的情況下，線纜需要考慮100m內(nèi)的限制，對(duì)于光纖的限制則可以達(dá)到千米級(jí)的水平?；谖锢硇再|(zhì)的要求，各大工業(yè)以太網(wǎng)方案在線長(zhǎng)，和可連接節(jié)點(diǎn)數(shù)上都做出明確的要求。這方面的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有：ISO/IEC 11801。[15] 下面給出一個(gè)典型的車(chē)間工業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖： [align=center] 圖2.6一個(gè)典型的車(chē)間工業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[/align] 在以上的內(nèi)容中，我們分別在三個(gè)主要方面對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)物理層的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明，應(yīng)該說(shuō)作為一種以太網(wǎng)的推廣理由，低成本的商用以太網(wǎng)設(shè)備可以在工業(yè)控制系統(tǒng)中使用。在某些運(yùn)用中，這些運(yùn)用是可行的。但工廠環(huán)境畢竟有其自的特點(diǎn)，盡管都希望使用商業(yè)渠道中可以獲得的以太網(wǎng)芯片和介質(zhì)，但這些工廠對(duì)產(chǎn)品的要求確實(shí)與辦公室對(duì)這些產(chǎn)品的要求是不同的。這些方面的原因包括一般環(huán)境因素，比如高溫，濕度和振動(dòng)等的影響;物理環(huán)境因素，如EMC ，射線輻射等，也有安全因素，如電源，接地等方面。在動(dòng)輒百萬(wàn)價(jià)值的工業(yè)設(shè)備上，確實(shí)需要有嚴(yán)格的設(shè)備和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)在。下面給出在電纜，連接器等方面的工業(yè)自動(dòng)化開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)（IAONA）的一個(gè)建議標(biāo)準(zhǔn)。[15] [align=center] 表2.4 IAONA的一個(gè)建議標(biāo)準(zhǔn)[/align] 三、關(guān)于前端設(shè)備的工作機(jī)制問(wèn)題 對(duì)于商用以太網(wǎng)，千兆甚至萬(wàn)兆已成為骨干網(wǎng)的選擇，但對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)似乎有些超前，畢竟工業(yè)網(wǎng)絡(luò)要求的是穩(wěn)定和實(shí)時(shí)，因此100BASE-TX和全雙工機(jī)制目前已經(jīng)成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的首選。已經(jīng)在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)中穩(wěn)定運(yùn)行多年的100M的標(biāo)準(zhǔn)帶寬能滿足FA/PA的絕大多數(shù)通信要求，全雙工機(jī)制又能克服CSMA/CD帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)傳輸不確定性。 目前市面上還有很多的PLC、PAC、HMI以及嵌入式設(shè)備選用10M半雙工傳輸機(jī)制，含這種機(jī)制的NIC前端設(shè)備很可能會(huì)和與其相連的網(wǎng)絡(luò)二層、三層設(shè)備不盡兼容（電口10/100M自適應(yīng)兼容,但光口只有100M全雙工不兼容）存在數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟淮_定性隱患。 （收發(fā)器、光交換機(jī)圖片由TSC卓越北京公司提供 ） 如上圖，收發(fā)器和交換機(jī)的光口級(jí)連，雙方均是100M全雙工，而電口是10M/100M，全雙工/半雙工自適應(yīng)。 四、小結(jié) 綜上所述，由于BELDEN公司收購(gòu)了全球領(lǐng)先的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案提供商 HIRSCHMANN公司，讓我們開(kāi)始關(guān)注工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中最容易被忽略的一層——————物理層，我們探討了的幾個(gè)問(wèn)題：工業(yè)以太網(wǎng)的布線、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制。簡(jiǎn)單的分析可以得出如下結(jié)論： 1．目前工業(yè)以太網(wǎng)的布線系統(tǒng)的的確確處于原始的初級(jí)階段。隨著IP技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的不斷滲入，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層也大量的采用IP地址尋址（如傳感器 、傳動(dòng)設(shè)備等）那么可以預(yù)見(jiàn)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的布線系統(tǒng)及設(shè)備會(huì)一改目前“纜+頭”的連接模式，會(huì)變得更復(fù)雜、更靈活，防護(hù)等級(jí)會(huì)更高，支持移動(dòng)性方面也會(huì)更高。這里面會(huì)蘊(yùn)藏大量商機(jī)。 2．如果不考慮無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目前工業(yè)以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要還是星型和環(huán)型，基于安全可靠方面的考慮，冗余雙星型和冗余雙環(huán)型是主流網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，而環(huán)型似乎更受到自動(dòng)化用戶的青睞。 3．由于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量并不是很大，但要求實(shí)時(shí)可靠的特點(diǎn)，100BASE-TX、全雙工應(yīng)是目前和將來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的主流傳輸機(jī)制。采用10BASE-T和半雙工傳輸機(jī)制將會(huì)為將來(lái)的系統(tǒng)兼容性帶來(lái)麻煩。