关于工业以太网物理层的几个问题 - 文章

关于工业以太网物理层的几个问题

作者：卓越信通电子（北京）有限公司

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2007年3月，以生产电缆和布线系统著名的BELDEN公司以约2.6亿美元的现金价收购了全球领先的工业网络解决方案提供商HIRSCHMANN，此举让业界大大意外：一个原来只在物理层做生意的公司购并了目前工业网络的领导级公司，这足以让我们重新关注ISO的最低一层，也是最易让人忽略的一层——物理层。

由于处于ＯＳＩ的工业以太网的物理层，规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性，该层为数据链路层路层协议提供了一个传输数据的物理媒体，这一层因为相对简单而被忽略。所以本文我们将重点讨论工业以太网物理层，针对适应工业环境和系统的要求而采用的一些特殊技术，以及工业网络未来物理层的变化。

事实上，以太网技术已诞生近三十年，这期间它在最初的半双工，介质共享的技术基础之上，已被多次改良优化。尤其是从1994年开始,以太网由于采用了10/100BASE-T技术,使得它从ATM，ＦDDI，TOKEN RING等网络操作系统大战中脱颖而出，至今已成为 LAN（ocal Area Network）和WAN（Ｗide Area Network）市场的首选，广泛商业化的运用又使该项标准成为一个高带宽、高速度的网络技术。工业化应用后以太网仍可以被视为一种非常有效的网络，但前提是在以太网多年演进中积累的诸多技术中选用一组有效技术进行组合应用。

工业网络的物理层主要包含工业网络走线（布线）、网络拓扑结构及带NIC（网络控制器）的前端设备。另外对于布线系统中的线缆媒介以及连接器等工业自动化工程师熟悉的细节问题本文不在赘述。，只讨论工业网络走线（布线）、网络拓扑结构及带NIC（网络控制器）的前端设备的工作机制问题。

一、关于工业网络布线

物理层的布线系统应该包含有线网络和无线网络两种布线系统，这里暂时只对有线工业网络的布线系统进行描述。

工业以太网物理层的布线与商用网络最大的区别在于布线对象和布线环境不同．其中关于工业网络布线环境的问题，研究颇多，这里也不在赘述。

布线对象

商用网关于布线系统在1991年由AT&T（现在AVAYA公司前身）公司给出过很好的定义。

商用布线系统是针对建筑物或建筑群为对象的网络布线系统。

它既使话音和数据通信设备、交换设备和其它信息管理系统彼此相连，也使这些设备与外部通信网络相连接。它包括建筑物到外部网络或电话局线路上的连线点与工作区的话音或数据终端之间的所有电缆及相关联的布线部件。为按校园布局建造的建筑物或建筑群提供服务的系统既不包括电话局网络设施，也不包括连接到布线系统的交换装置，如：专用小交换机、数据分组交换设备或终端设备本身。布线系统由不同系列的部件组成，其中包括：传输介质、线路管理硬件、连接器、插座、插头、适配器、传输电子线路、电气保护设备和支持硬件。这些部件被用来构建各种子系统，它们都有各自的具体用途，不仅易于实施，而且能随通信需求的改变而平稳过渡到增强型布线技术。一个设计良好的布线系统对其服务的设备有一定的独立性，并能互连许多不同的通信设备，如数据终端、模拟式和数字式电话机、个人计算机和主机、以及公共系统装置。

要重视并预测工业以太网的物理层的未来，就应该好好研究一下以太网的物理层系统；要研究以太网的物理层布线系统，就应该从AVAYA的SYSTIMAX PDS系统开始。

SYSTIMAX PDS 系统

建筑物综合布线系统可以划分为6个子系统：
＊工作区子系统
＊水平布线子系统
＊干线子系统
＊设备间了系统
＊管理子系统
＊建筑群子系统

通信和数据处理系统的各种需求就确定了所需的子系统。从理论上讲，大型通信系统可能需要用铜介质和光纤介质部件把全部上述子系统集成在一起。

工作区子系统

工作工布线子系统由终端设备连接到信息插座的连线（或软线）组成，它包括装配软线、连接器和连接所需的扩展软线，并在终端设备和I/O之间搭桥。在进行终端设备和I/O连接时，可能需要某种传输电子装置，但是这种装置并不是工作区子系统的一部分。例如，有限距离调制解调器能为终端与其它设备之间的兼容性和传输距离的延长提供所需的转换信号。有限距离调制解调器不需要内部的保护线路，但一般的调制解调器都有内部的保护线路。

水平布线子系统

水平布线子系统是整个布线系统的一部分，它将干线子系统线路延伸到用户工作区。水平布线子系统与干线子系统的区别的于：水平布线子系统总是处在一个楼层上，并端接在信息插座上。在现有建筑物内，子系统都由25对线的电缆组成;而SYSTIMAX PDS将上述的电缆数限制为4对UTP（非屏蔽双绞线），它们能支持大多数现代通信设备。在需要某些宽带应用时，可以采用光缆。

从用户工作区的信息插座开始，水平布线子系统在交连处端接;或在小型通信系统里，在以下任何一处进行互连：卫星接线间、干线接线间或设备间。在设备间中，当终端设备位于同一楼层时，水平布线子系统将在布线交连处端接。在上面几个楼层上，它将在干线接线间或卫星接线间的交叉连接处端接。

管理子系统

管理子系统由交连、互连和I/O组成。管理点为连接其它子系统提供连接手段。交连和互连允许你将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线路。I/O位在用户工作区和其它房间，使你在移动终端设备时能方便地进行插拔。

在使用跨接线或插入线时，交叉连接允许你将端接在单元一端的电缆上的通信线路连接到端接在单元另一端的电缆上的线路。跨接线是一根很短的单根导线，可将交叉连接处的两条导线端点连接起来;插入线包含几根导线，而且每根导线末端均有一个连接器。插入线为重新安排线路提供一种简易的方法，而且不需要安装跨接线时使用的专用工具。

互连完成交叉连接的相同目的，但不使用跨接线或插入线，只使用带插头的导线、插座和适配器。互连和交叉连接均使用于光缆。光缆交叉连接要求使用光缆的插入线——在两端都有光连接器的短光缆。

根据布线安排和管理通信线路以适应终端设备的位置变化的需要，在各种不同的交叉连接处可选用插入线。但在中继线交叉连接处、布线交叉连接处和干线接线间里，通常已安装好使用插入线的交叉连接硬件。

在卫星接线区，如安装在墙上的布线区，交叉连接可以不要插入线，因为线路经常是通过跨接线连到I/O上的。在大型布线系统中的上述位置，交叉连接处经常是将干线子系统的大型电缆转换到连接I/O的小型水平电缆的过渡点。在线路重新布局时，一般不使用这种馈通式（feed、through）交叉连接。

干线子系统

干线子系统是整个建筑物综合布线系统的一部分。它提供建筑物的干线（馈电线）电缆的路由。它通常是在两个单元之间，特别是在位于中央点的公共系统设备处，提供多个线路设施。该子系统由所有的布线电缆组成，或者由导线和光缆以及将此光缆连到其它地方的相关支撑硬件组合而成。传输介质可能包括一幢多层建筑物的楼层之间垂直布线的内部电缆或从主要单元（如计算机机房或设备间和其它干线接线间）来的电缆。

为了与建筑物的其它建筑物进行通信，干线子系统把设备间的中继线和布线交叉连接点与建筑物间设施相连，以组成建筑群子系统。

为了提供与外部网络的通信能力，干线子系统将中继线交叉连接点和网络接口（由电话局提供的网络设施的一部分）连接起来。网络接口通常放在设备间的近邻房间。网络接口为这些设施和建筑物综合布线系统之间划定界限。

建筑群子系统

建筑群子系统将一个建筑物中的电缆延伸到建筑群的另外一些建筑筘的通信设备和装置上。它是整个布线系统中的一部分（包括传输介质）并支持提供楼群之间通信设施所需的硬件，其中有导线电缆、光缆和防止电缆的浪涌电压进入建筑物的电气保护设备。

设备布线子系统

设备布线子系统由设备间中的电缆、连接器和相关支撑硬件组成，它把公共系统设备的各种不同设备互连起来。该子系统将中继线交叉连接处和布线交叉连接处与公共系统设备（如PBX）连接起来。该子系统还包括设备间和邻近单元（如建筑物的入口区）中的导线。这些导线将设备或雷电保护装置连接到符合美国电气法规（NEC）的有效建筑物接地点。

工业布线系统

工业以太网的布线系统则是针对工业自动化对象，如FA（工厂自动化）、PA（过程控制自动化）而进行布线的。它与AVAYA定义的布线系统部分相同，也存在明显的差异。

IOANA在 2003年10月公布的《规划及安装指南》（PLANNING AND Installation Guide）中推荐了EN50173和ISO/IEC11801定义的工业布线系统

其中每个建筑物至少有一个建筑的分线系统BD（Building distributor）所有的BD通过星型拓扑与园区分线系统CD（Compus Distributor）相连。其中CD可视作整个通讯的中枢，而BD之间可能由于安全的原因采用冗余。在一个建筑物内，现场级的布线系统FD（Floor Distributor）可布置在不同的楼层，每层可以辐射2000平方米的范围。有时候由于现场半位在30m左右也可用设备分线系统MD（Machine Distributor）来替换FD的概念。

从两张图的比较可以看出，AVAYA的SYSTEM MAX关于商用网的定义是非常详尽的，六个子系统详细的含盖了商用网络中的物理层布线部分。

EN50173和ISO/IEC11801对于工业以太网物理层布线系统的定义更合适FA和PA。因为就目前工业以太网在工业领域中的应用情况而言，布线系统往往从BD直接就到前端设备。这种情况的出现应该基于以下几个原因：

1. 自动化领域的相对于通用布线的水平布线子系统部分，目前还相对简单，无需配线架（PATCH PANNEL）、大对数电缆等设备。

2 .SYSTEMAX的PDS系统是结构化模块化的布线系统，其目的在于提高建筑物物理层的灵活性和可维护性，而这一点在FA/PA领域目前还不需要。

3. 由于没有采用管理子系统的系列设备，如配线架、跳线以及墙座等，这样做也减少了中间环节，使故障率下降，系统更可靠。

但是随着IP技术在工业领域的渗入，如果现场设备层也大量的采用IP设备（如Sensor Actator等）那么可以预见这两个布线图会越来越相似，只不过应用于工业领域的布线设备等级要求会更高，支持移动性方面也会更高。

二、关于工业网络的拓扑结构问题

拓扑结构是另一个在物理层上要考虑的问题。拓扑结构指的是如何在网络中走线。点对点的连接是一个工作站和一个集线器的接口的连接，一个集线器和另一个集线器的连接，或一个工作站和另外一个工作站的连接。

关于工业以太网的研究表明， EN50173标准和ISO/ IEC 11801标准所描述的拓扑结构在完成一些较小的修正后完全可以应用到工业环境中。

而大多数工业现场的用户都比较熟悉总线型的连接即多个工作站共享一个通用的连接。EIA-485或控制器局域网（CAN）是这些网络的很好的例子。

但是，总线拓扑结构在工业以太网中不适合再存在。尽管10BASE2 和10BASE5 确实是总线型的基于同轴线缆的以太网网络，但由于它们局限于10Mbps的半双工工作状态，更由于它们不被包含在新兴的商业楼宇的布线标准TIA/EIA-568-A 中，它们的用途在逐渐减少。

基于以上原因，工业以太网的布线多采用星式，即要求连接型集线器或交换型集线器。所以，大家不要再去考虑用总线型的方法去连接传送系统一类的网络，尽管其非常简单。如果要使用工业以太网，就多使用星型、树型或环型的拓扑结构。

在一个典型的工业环境中，我们可以从整体的角度做出分割，将其中的各个单元做如下的划分：

1. CD == Campus distributor,即工业园区级节点
2. BD == Building distributor, 即厂房级节点
3. FD == Floor distributor，即车间级节点
4. MD == Machine distributor，即机器（设备）级节点
5. MO == Machine outlet，即设备输出节点
6. TO == Terminal outlet，即终端输出节点

在这种分割下，一个典型工业以太网拓扑结构如下图所示：

图2.3 工业以太网拓扑结构

对于各个设备输出节点而言，其以星形连接方式接入设备网络。而这个接入设备，一般采用交换机。如在Ethernet/IP，HSE，EPA等方案中，均采用了全双工式交换机＋100Base-TX的拓扑结构。交换机的优势在于其可通过改变冲突域,以消除网络冲突的频繁发生。不过在上游的两个端口想同时发送数据到下游端口时,其冲突还是会发生的。交换机可将共享的局域网进行有效的网段划分,使每个用户尽可能地分享到最大带宽,可以连接共享的以太网段及不同速度的局域网,其交换技术处在网络七层模型中的第二层,即数据链路层中进行操作,因此常被称为第二层交换。交换机对数据包的转发是以以太网的目的介质存取控制（MAC）为基础的,其端口通过提取每个发送到交换机的数据包的源MAC地址,得到MAC目的地址及与接收该数据包的端口之间的关系后,就得知了端口与MAC目的地址之间的关系，交换机对用户的可用带宽的改善作用非常明显。但由于第二层交换主要依靠MAC地址来传送帧信息,采用其不断收集到的资料建立一个地址表,并记录下每个MAC地址所来自的端口,将每个以太网包从正确的端口加以发送，当一个广播包到来时,需将其发往交换机的所有端口,对于一个只有交换机构成的网络极易引发广播风暴。并且,由于网络规模的不断扩大,需要由交换机与路由器结合使用,并出现了一些缺陷,为此出现了第三层，第四层交换技术，这里就不在赘述。

一个典型的使用交换机连接的设备组态如下图所示：

图2.4 一个典型的交换机连接

与工业环境相关的另一个拓扑连接的特性是冗余。

在一般商业应用上，以太网的冗余技术并不显得非常重要。以往的集线器（Hub），交换机（Switch）被很多人使用去连接各种基于以太网的设备（如PC）。集线器接收到来自某一端口的消息，再将消息广播到其它所有的端口。对来自任一端口的每一条消息，集线器都会把它传递到其它的各个端口。而交换机能实现消息从一个端口到另一个端口的路由功能，其可以自动探测每台网络设备的网络速度。借助一种称为“MAC地址表”的功能，交换机还能识别和记忆网络中的设备。这种智能避免了消息冲突，提高了传输性能，相对集线器是一次巨大的改进。但集线器和交换机这样的设备在顾及了使用的简单性和价格优势之后，也随之失去了实现诸如冗余功能这样的高级要求的可能。

随后发展出的管理型交换机（Managed Switch）相对于集线器和普通交换机，拥有了更多更复杂的功能，其通常可以通过基于网络的接口实现完全配置。它可以自动与网络设备交互，用户也可以手动配置每个端口的网速和流量控制。

绝大多数管理型交换机还提供一些高级功能，如用于远程监视和配置的SNMP（简单网络管理协议），用于诊断的端口映射，用于网络设备成组的VLAN（虚拟局域网），用于确保优先级消息通过的优先级排列功能等。

这些新型功能的加入，使得利用管理型交换机，可以组建冗余网络。使用环形拓扑结构，管理型交换机可以组成环形网络。每台管理型交换机能自动判断最优传输路径和备用路径，当优先路径中断时自动阻断（block）备用路径。

而随着工业网络对于冗余功能的要求变得突出，出现了专门在冗余方面做出功能扩展的管理型冗余交换机。此类交换机提供了一些特殊的功能，特别是针对有稳定性、安全性方面严格要求的冗余系统进行了设计上的优化。

通常构建冗余网络的方式主要有以下几种，STP、RSTP；环路冗余及主干Trunking技术。

1、STP及RSTP
STP（Spanning Tree Protocol），是作为一个链路层协议（IEEE 802.1D）存在的，提供路径冗余和阻止网络循环发生。它做法是强令备用数据路径为阻塞（blocked）状态。如果一条路径有故障，该拓扑结构能借助激活备用路径重新配置及链路重构。网络中断恢复时间为30-60s之间。RSTP（快速生成树算法，IEEE 802.1w）作为STP的升级，将网络中断恢复时间，缩短到1-2s。STP网络结构灵活，但存在恢复速度慢的缺点。在很多的工业环境中并不适用。

2、环路冗余
在STP之后，为了能满足工业控制网络实时性强的特点，开始采用环路连接网络的方式实现冗余快速恢复。采用这种技术可以使网络在中断后300ms之内自行恢复。并可以通过交换机的出错继电连接、状态显示灯和SNMP设置等方法来提醒用户出现的断网现象。这些都可以帮助诊断环网什么地方出现断开。

环路冗余大体可以采用三种方法：
＊单机单环冗余。
＊双机单环冗余。
＊双机双环冗余。

双环的主要优势在于可以通过双通道连接，从而避免单个线缆出错带来的问题。双机同样也可以避免单个设备出错带来的问题。

3、主干冗余Trunking技术
这种方式是将不同交换机的多个端口设置为Trunking主干端口，并建立连接，这样在交换机之间可以形成一个高速的骨干链接。不但成倍的提高了骨干链接的网络带宽，增强了网络吞吐量，而且还还提供了另外一个功能，即冗余功能。当网络中的骨干链接产生断线等问题，那么网络中的数据会通过剩下的链接进行传递，保证网络的通讯正常。Trunking主干网络可以采用总线型和星型网络结构，理论通讯距离可以无限延长。该技术由于采用了硬件侦测及数据平衡的方法，所以使网络中断恢复时间达到了新的高度，一般恢复时间可以达到10ms以下。

由于冗余会明显加大设备成本，所以采用什么样的冗余结构应当根据项目工程需要来考虑。

最后一个有关拓扑的问题是连接线长和连接能力的问题。

商用以太网在线长和连接能力方面有著名的5-4-3规则：网络中可以有5个网段，通过4个中继器连接，但只有3个网段可以连接计算机。

这些类似的规则在工业以太网的环境中仍然发挥着作用。事实上，在类似于化工等工业车间中，连接线长的问题是非常突出的。在使用以双绞线为基础的线缆还是使用光纤的问题上，一个重要的考虑方面就是连接线长的问题。在不使用中继器的情况下，线缆需要考虑100m内的限制，对于光纤的限制则可以达到千米级的水平。基于物理性质的要求，各大工业以太网方案在线长，和可连接节点数上都做出明确的要求。这方面的工业标准有：ISO/IEC 11801。[15]

下面给出一个典型的车间工业网络拓扑结构图：

图2.6一个典型的车间工业网络拓扑结构

在以上的内容中，我们分别在三个主要方面对工业以太网物理层的相关问题进行了说明，应该说作为一种以太网的推广理由，低成本的商用以太网设备可以在工业控制系统中使用。在某些运用中，这些运用是可行的。但工厂环境毕竟有其自的特点，尽管都希望使用商业渠道中可以获得的以太网芯片和介质，但这些工厂对产品的要求确实与办公室对这些产品的要求是不同的。这些方面的原因包括一般环境因素，比如高温，湿度和振动等的影响;物理环境因素，如EMC ，射线辐射等，也有安全因素，如电源，接地等方面。在动辄百万价值的工业设备上，确实需要有严格的设备和环境标准在。下面给出在电缆，连接器等方面的工业自动化开放网络协会（IAONA）的一个建议标准。[15]

表2.4 IAONA的一个建议标准

三、关于前端设备的工作机制问题

对于商用以太网，千兆甚至万兆已成为骨干网的选择，但对于工业以太网似乎有些超前，毕竟工业网络要求的是稳定和实时，因此100BASE-TX和全双工机制目前已经成为工业网络的首选。已经在商业网络中稳定运行多年的100M的标准带宽能满足FA/PA的绝大多数通信要求，全双工机制又能克服CSMA/CD带来的网络传输不确定性。

目前市面上还有很多的PLC、PAC、HMI以及嵌入式设备选用10M半双工传输机制，含这种机制的NIC前端设备很可能会和与其相连的网络二层、三层设备不尽兼容（电口10/100M自适应兼容,但光口只有100M全双工不兼容）存在数据传输的不确定性隐患。

收发器、光交换机图片由TSC卓越北京公司提供

如上图，收发器和交换机的光口级连，双方均是100M全双工，而电口是10M/100M，全双工/半双工自适应。

四、小结

综上所述，由于BELDEN公司收购了全球领先的工业网络解决方案提供商

HIRSCHMANN公司，让我们开始关注工业网络中最容易被忽略的一层——————物理层，我们探讨了的几个问题：工业以太网的布线、网络拓扑结构和网络传输机制。简单的分析可以得出如下结论：

1．目前工业以太网的布线系统的的确确处于原始的初级阶段。随着IP技术在工业领域的不断渗入，现场设备层也大量的采用IP地址寻址（如传感器、传动设备等）那么可以预见应用于工业领域的布线系统及设备会一改目前“缆+头”的连接模式，会变得更复杂、更灵活，防护等级会更高，支持移动性方面也会更高。这里面会蕴藏大量商机。

2．如果不考虑无线网络系统，目前工业以太网的拓扑结构主要还是星型和环型，基于安全可靠方面的考虑，冗余双星型和冗余双环型是主流网络拓扑，而环型似乎更受到自动化用户的青睐。

3．由于工业网络传输数据量并不是很大，但要求实时可靠的特点，100BASE-TX、全双工应是目前和将来很长一段时间工业网络设计的主流传输机制。采用10BASE-T和半双工传输机制将会为将来的系统兼容性带来麻烦。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/13/2007)


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