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工業(yè)以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和專業(yè)術(shù)語(yǔ)
工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE802.3(Ethernet)的強(qiáng)大的區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)。利用工業(yè)以太網(wǎng)，SIMATICNET提供了一個(gè)無(wú)縫集成到新的多媒體世界的途徑。繼10M波特率以太網(wǎng)成功運(yùn)行之后，具有交換功能，全雙工和自適應(yīng)的100M波特率快速以太網(wǎng)(FastEthernet，符合 IEEE802.3u的標(biāo)準(zhǔn))也已成功運(yùn)行多年。工業(yè)以太網(wǎng)是電力通信和電網(wǎng)信息化不可或缺的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，而工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在其中更是扮演了重要的角色，現(xiàn)在北京天拓四方技術(shù)工程師讓大家了解一下工業(yè)以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和專業(yè)術(shù)語(yǔ)。
一、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
拓?fù)涫蔷W(wǎng)絡(luò)中電纜的布置。眾所周知，EIA-485或CAN采用總線型拓?fù)?。但在工業(yè)以太網(wǎng)中，由于普遍使用集線器或交換機(jī)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型或分散星型。
二、接線
工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)使用的電纜有屏蔽雙絞線(STP)、非屏蔽雙絞線(UTP)、多?；騿文９饫|。10Mbps的速率對(duì)雙絞線沒(méi)有過(guò)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(shí)需要一對(duì)，常用的多模光纖波長(zhǎng)為62.5/125μm或50/125μm。與多模光纖的內(nèi)芯相比，單模光纖的內(nèi)芯很細(xì)，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
雙絞線接頭中RJ-45較常見(jiàn)，共兩對(duì)線，一對(duì)用于發(fā)送，另一對(duì)用于接收。在媒介相關(guān)接口(MDI)的定義中，這四個(gè)信號(hào)分別標(biāo)識(shí)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)通訊設(shè)備，如中繼器或交換機(jī))組成。集線器端口標(biāo)識(shí)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(biāo)識(shí)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(shè)計(jì)和包裝兼顧工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用的要求。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)計(jì)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(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)控制柜內(nèi)。第三是電源要求。許多控制柜內(nèi)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(yīng)。電磁兼容性(EMC)的要求隨工業(yè)環(huán)境對(duì)EMI(工業(yè)抗干擾)和ESD(工業(yè)抗震)要求的不同而變化?，F(xiàn)場(chǎng)的安全標(biāo)準(zhǔn)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。工廠里采用的可能是工業(yè)控制柜標(biāo)準(zhǔn)而樓宇系統(tǒng)采用的往往是煙霧標(biāo)準(zhǔn)。顯然低價(jià)的商用以太網(wǎng)集線器和交換機(jī)無(wú)法達(dá)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(CollisionDomain)的概念。
共享型以太網(wǎng)或半雙工以太網(wǎng)的媒體訪問(wèn)是由載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/碰撞檢測(cè)(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(shù)據(jù)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(nèi)收聽(tīng)，確保在這一時(shí)間內(nèi)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(hào)加強(qiáng)碰撞。競(jìng)爭(zhēng)站點(diǎn)延遲后(延遲時(shí)間由算法確定，是隨機(jī)的)重試。在這種機(jī)制下 CONTROLENGINEERINGChina版權(quán)所有，所有站點(diǎn)和所有集線器都必須在同一碰撞域內(nèi)。
對(duì)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(NetworkDiameter)。前者指連接兩個(gè)設(shè)備(集線器、交換機(jī)或主機(jī))的距離，后者指網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)最遠(yuǎn)端設(shè)備之間的距離。不管是10Mbps或100Mbps的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)段的最遠(yuǎn)距離不能超過(guò)100米?？紤]網(wǎng)絡(luò)延伸，最有用的規(guī)則就是5-4-3規(guī)則(僅僅針對(duì) 10Mbps中繼器)。規(guī)則的內(nèi)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)段指的是同軸總線網(wǎng)段(已淘汰)。
由于雙絞線網(wǎng)段的最遠(yuǎn)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(yuǎn)距離可達(dá)2公里，但I(xiàn)EEE802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，使用光纖，級(jí)聯(lián)數(shù)最多不能超過(guò)3個(gè)，且網(wǎng)絡(luò)末端需使用雙絞線，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(zhǎng)度限制在2公里。5-4-3規(guī)則對(duì) 100Mbps是不適用的。建議使用100Mbps交換機(jī)。
六、集線器和交換機(jī)
中繼型集線器(集線器)集線器是構(gòu)成以太網(wǎng)拓?fù)涞幕驹O(shè)備，為多端口設(shè)備，有四、八、十二口等，可級(jí)聯(lián)構(gòu)成分散星型拓?fù)?。集線器均符合 IEEE802.3中繼單元要求。這些要求包括前導(dǎo)碼生成、對(duì)稱和幅度補(bǔ)償。中繼器必須對(duì)信號(hào)再定時(shí)，這樣收發(fā)器和電纜引起的信號(hào)抖動(dòng)不會(huì)在多網(wǎng)段傳播時(shí)累積。這些設(shè)備能偵測(cè)出不完整的數(shù)據(jù)包和沖突，并產(chǎn)生一個(gè)阻塞信號(hào)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(zhuǎn)接器另一系列產(chǎn)品是接口轉(zhuǎn)接器，有時(shí)稱為收發(fā)器。它們將一種媒介轉(zhuǎn)為另一種媒介。最重要的轉(zhuǎn)換是雙絞線至光纖的轉(zhuǎn)換。由于很多集線器沒(méi)有光纖端口，接口轉(zhuǎn)接器就是用來(lái)支持網(wǎng)絡(luò)中光纖的應(yīng)用的。這些設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中是透明。端口不存儲(chǔ)幀也不檢測(cè)碰撞，只是將一種媒介轉(zhuǎn)為另一端兼容的信號(hào)。
交換型集線器(交換機(jī))交換型集線器可以取代中繼型集線器并改善網(wǎng)絡(luò)的性能。與物理層設(shè)備-中繼型集線器不同，交換型集線器實(shí)際上是連接兩個(gè)數(shù)據(jù)鏈路的網(wǎng)橋，也就是說(shuō)碰撞域在每個(gè)交換機(jī)端口進(jìn)行了終結(jié)。所以，增加了交換機(jī)就擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)地理上的范圍，級(jí)聯(lián)交換機(jī)可以大規(guī)模地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展交換機(jī)比中繼型集線器復(fù)雜。雙絞線端口自動(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(jī)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(shè)備的端口位置。交換機(jī)隨即產(chǎn)生一張端口地址表格并維護(hù)表的內(nèi)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(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量提高了。表的內(nèi)容會(huì)根據(jù)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(jī)會(huì)自動(dòng)把信息發(fā)至所有端口。與中繼型集線器不同，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(guī)則。
中繼集線器可以與交換機(jī)端口相連。如果網(wǎng)絡(luò)中都是交換機(jī)CONTROLENGINEERINGChina版權(quán)所有，則雙絞線網(wǎng)段保持100米，但級(jí)聯(lián)沒(méi)有限制。在使用光纖前必須先注明是半、全雙工。中繼型集線器與交換型集線器的對(duì)比顯然，交換機(jī)的性能比集線器提高一些，但集線器的優(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)分析儀觀測(cè)數(shù)據(jù)通訊。交換機(jī)則必須在某個(gè)端口實(shí)現(xiàn)廣播發(fā)送方能測(cè)量。作為網(wǎng)橋，交換機(jī)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)整個(gè)數(shù)據(jù)幀并引起了數(shù)據(jù)的延遲。集線器接收網(wǎng)絡(luò)信號(hào)沒(méi)有數(shù)據(jù)延遲。交換機(jī)級(jí)聯(lián)還增加延時(shí)，因此，集線器和交換機(jī)在工業(yè)以太網(wǎng)中各有各的應(yīng)用場(chǎng)合。