工業(yè)以太網(wǎng)交換機常用專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)介紹
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工業(yè)以太網(wǎng)
交換機與民用
以太網(wǎng)交換機相比，工業(yè)以太網(wǎng)交換機產(chǎn)品在設計上以及在元器件的選用上，產(chǎn)品的強度和適用性方面都能滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的需要。接下來(lái)，我們就來(lái)為大家詳細介紹下工業(yè)以太網(wǎng)交換機的一些常用專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，一起來(lái)看看吧！
一、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。
二、接線(xiàn)
工業(yè)以太網(wǎng)專(zhuān)題”>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。
三、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-。
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。
四、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。
五、 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。
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。
六、 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)專(zhuān)題”>工業(yè)以太網(wǎng)中各有各的應用場(chǎng)合。
七、 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?？焖僖蕴W(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。
八、 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(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。
九、 傳輸協(xié)議
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)專(zhuān)題”>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。
十、 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。 現在需要考慮 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。
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