一、工業(yè)以太網(wǎng)的拓撲結構
拓撲結構是物理層上一個重要的問題。拓撲結構指的是如何在網(wǎng)絡中走線。點對點的連接是一個工作站和一個集線器的接口的連接，一個集線器和另一個集線器的連接，或一個工作站和另外一個工作站的連接。
1.1商用以太網(wǎng)拓撲結構
商用以太網(wǎng)拓撲結構是工業(yè)以太網(wǎng)拓撲結構的源生物，他主要包含以下幾種：
總線型：早期以太網(wǎng)多使用總線型的拓撲結構，采用同軸纜作 為傳輸介質，采用共享的訪問機制。但由于它 存在的固有缺陷，已經(jīng)逐漸被以集線器和交換機為核心的星型網(wǎng)絡所代替。
星型：采用專用的網(wǎng)絡設備（如集線器或交換機）作為核心節(jié)點，通過雙絞線將局域網(wǎng)中的各臺主機連接到核心節(jié)點上，這就形成了星 型結構。星型拓撲可以通過級聯(lián)的方式使網(wǎng)絡得到擴展，因此被絕大部分的以太網(wǎng)所采用。
樹型：是星型和總線型的結合
環(huán)型： IEEE802.5令牌環(huán)網(wǎng)，由于性價方面的因數(shù)在市場上幾乎已經(jīng)不用了。
1.2工業(yè)以太網(wǎng)的拓撲結構
關于工業(yè)以太網(wǎng)的研究表明，商用的 EN50173標準 和ISO/ IEC 11801標準所描述的拓撲結構在完成一些修正后完全應用到工業(yè)環(huán)境中，就成就了目前工業(yè)以太網(wǎng)拓撲結構的雛形。
大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場的用戶都比較熟悉總線型的連接即多個工作站共享一個通用的連接,EIA-485或控制器局域網(wǎng)(CAN) 是這些網(wǎng)絡的很好的例子。但是，總線拓撲結構在工業(yè)以太網(wǎng)中已不再存在。盡管10BASE2 和10BASE5 確實是總線型的基于同軸線纜的以太網(wǎng)網(wǎng)絡，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)樓宇的布線標準TIA/EIA-568-A 中，它們的用途在逐漸減少。
基于以上原因，初期的工業(yè)以太網(wǎng)的布線多采用星式，即要求連接型集線器或工業(yè)以太網(wǎng)交換型機。目前，大家不再去考慮用總線型的方法去連接傳送系統(tǒng)一類的網(wǎng)絡，盡管其非常簡單。如果要使用工業(yè)以太網(wǎng)，就多使用星型、樹型或環(huán)型的拓撲結構。
在一個典型的工業(yè)環(huán)境中，我們可以從整體的角度做出分割，將其中的各個單元做如下的劃分：
1. CD == Campus distributor,即工業(yè)園區(qū)級節(jié)點
2. BD == Building distributor, 即廠房級節(jié)點
3. FD == Floor distributor，即車間級節(jié)點
4. MD == Machine distributor，即機器（設備）級節(jié)點
5. MO == Machine outlet，即設備輸出節(jié)點
6. TO == Terminal outlet，即終端輸出節(jié)點
在這種分割下，一個典型工業(yè)以太網(wǎng)拓撲結構如下圖所示：
工業(yè)以太網(wǎng)拓撲結構圖
如果不考慮無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，目前工業(yè)以太網(wǎng)的拓撲結構主要還是星型和環(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)絡拓撲，而環(huán)型似乎更受到自動化用戶的青睞。
1.3工業(yè)以太網(wǎng)的拓撲冗余
在一般商業(yè)應用上，以太網(wǎng)的冗余技術并不顯得非常重要。以往的集線器 (Hub)，交換機 (Switch) 被很多人使用去連接各種基于以太網(wǎng)的設備（如PC）。集線器接收到來自某一端口的消息，再將消息廣播到其它所有的端口。對來自任一端口的每一條消息，集線器都會把它傳遞到其它的各個端口。而交換機能實現(xiàn)消息從一個端口到另一個端口的路由功能，其可以自動探測每臺網(wǎng)絡設備的網(wǎng)絡速度。借助一種稱為“MAC地址表”的功能，交換機還能識別和記憶網(wǎng)絡中的設備。這種智能避免了消息沖突，提高了傳輸性能，相對集線器是一次巨大的改進。但集線器和交換機這樣的設備在顧及了使用的簡單性和價格優(yōu)勢之后，也隨之失去了實現(xiàn)諸如冗余功能這樣的高級要求的可能。
隨后發(fā)展出的管理型交換機 (Managed Switch)相對于集線器和普通交換機，擁有了更多更復雜的功能，其通?？梢酝ㄟ^基于網(wǎng)絡的接口實現(xiàn)完全配置。它可以自動與網(wǎng)絡設備交互，用戶也可以手動配置每個端口的網(wǎng)速和流量控制。
絕大多數(shù)管理型交換機還提供一些高級功能，如用于遠程監(jiān)視和配置的SNMP(簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議)，用于診斷的端口映射，用于網(wǎng)絡設備成組的VLAN(虛擬局域網(wǎng))，用于確保優(yōu)先級消息通過的優(yōu)先級排列功能等。
這些新型功能的加入，使得利用管理型交換機，可以組建冗余網(wǎng)絡。使用環(huán)形拓撲結構，管理型交換機可以組成環(huán)形網(wǎng)絡。每臺管理型交換機能自動判斷最優(yōu)傳輸路徑和備用路徑，當優(yōu)先路徑中斷時自動阻斷(block)備用路徑。
而隨著工業(yè)網(wǎng)絡對于冗余功能的要求變得突出，出現(xiàn)了專門在冗余方面做出功能擴展的管理型冗余交換機。此類交換機提供了一些特殊的功能，特別是針對有穩(wěn)定性、安全性方面嚴格要求的冗余系統(tǒng)進行了設計上的優(yōu)化。
通常構建冗余網(wǎng)絡的方式主要有兩種,一種是遺傳了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的冗余自愈方式,如STP、RSTP；TRUNKING；
另一種是專門針對工業(yè)自動化實時可靠性而從傳統(tǒng)以太網(wǎng)變異出的 廠家私有環(huán)路冗余協(xié)議。
1、STP及RSTP
STP(Spanning Tree Protocol)，是作為一個鏈路層協(xié)議(IEEE 802.1D)存在的，提供路徑冗余和阻止網(wǎng)絡循環(huán)發(fā)生。它做法是強令備用數(shù)據(jù)路徑為阻塞(blocked)狀態(tài)。如果一條路徑有故障，該拓撲結構能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構。網(wǎng)絡中斷恢復時間為30-60s之間。RSTP(快速生成樹算法，IEEE 802.1w)作為STP的升級，將網(wǎng)絡中斷恢復時間，縮短到1-2s。STP網(wǎng)絡結構靈活，但存在恢復速度慢的缺點。在很多的工業(yè)環(huán)境中并不適用。
同樣主干冗余Trunking技術也是普通以太網(wǎng)都具備的一項技術，這種方式是將不同交換機的多個端口設置為Trunking主干端口，并建立連接，這樣在交換機之間可以形成一個高速的骨干鏈接。不但成倍的提高了骨干鏈接的網(wǎng)絡帶寬，增強了網(wǎng)絡吞吐量，而且還還提供了另外一個功能，即冗余功能。當網(wǎng)絡中的骨干鏈接產(chǎn)生斷線等問題，那么網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)會通過剩下的鏈接進行傳遞，保證網(wǎng)絡的通訊正常。Trunking主干網(wǎng)絡可以采用總線型和星型網(wǎng)絡結構，理論通訊距離可以無限延長。該技術由于采用了硬件偵測及數(shù)據(jù)平衡的方法，所以使網(wǎng)絡中斷恢復時間達到了新的高度，一般恢復時間可以達到10ms以下。如下圖：
但實際應用中,鏈路A和鏈路B幾乎都在各自同一個管道內(nèi), A、B內(nèi)的鏈路即使是雙冗余,但管道一旦遭到破壞,則鏈路與備份鏈路均被損壞,達不到用于保護的作用。
而交換機2和交換機3又不能連通，否則即形成閉環(huán)，如果不打開STP會產(chǎn)生廣播風暴導致運行癱瘓,打開STP就如上所述，又滿足不了工業(yè)環(huán)境的實時性的要求。
因此,TRUNKING技術由于其本身并不是為工業(yè)網(wǎng)絡環(huán)境而研發(fā)的，這種技術在工業(yè)環(huán)境下實際意義不大,在工業(yè)環(huán)境中應用是一種 “假冗余”技術 。
正是由于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)本身提供的冗余自愈技術不能滿足工業(yè)環(huán)境的需求，才自然迫使工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)生變異進化出了自身的冗余自愈技術。
2、私有環(huán)路冗余協(xié)議
在STP之后，為了能滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡實時性強的特點，開始采用環(huán)路連接網(wǎng)絡的方式實現(xiàn)冗余快速恢復。采用這種技術可以使網(wǎng)絡在中斷后300ms之內(nèi)自行恢復。并可以通過交換機的出錯繼電連接、狀態(tài)顯示燈和SNMP設置等方法來提醒用戶出現(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。
但不同的工業(yè)以太網(wǎng)廠家，研發(fā)出了不同且不兼容的環(huán)路冗余協(xié)議：
HIRSCHMANN HIPER RING
MOXA TURBO RING
TSC SUPREME RING
科動 RAPID RING
環(huán)路冗余大體可以采用三種方法：
1． 單機單環(huán)冗余。
2． 雙機單環(huán)冗余。
3． 雙機雙環(huán)冗余。
雙環(huán)的主要優(yōu)勢在于可以通過雙通道連接，從而避免單個線纜出錯帶來的問題。雙機同樣也可以避免單個設備出錯帶來的問題。
如果不考慮無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，目前工業(yè)以太網(wǎng)的拓撲結構主要還是星型和環(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)絡拓撲，而環(huán)型似乎更受到自動化用戶的青睞。
二、環(huán)形拓撲工業(yè)以太網(wǎng)的瑕疵
2.1工業(yè)以太網(wǎng)中環(huán)形拓撲的瑕疵
以太環(huán)網(wǎng)并不意味著完全的冗余，它只是拓撲結構中的一種。由于目前工業(yè)以太網(wǎng)的布線系統(tǒng)實際處于布線的初級階段。應用于工業(yè)領域的布線系統(tǒng)及設備還大量的采用“纜+頭”的連接模式，因此會在目前到將來很長一段時間存在連接故障。同時，工業(yè)控制設備及工業(yè)以太網(wǎng)設備本身也會存在故障問題，因此工業(yè)網(wǎng)絡會有很多故障點。環(huán)型拓撲提供了某種程度的冗余，但還是有很多單一故障點讓一個或多個器件不能通信。實際往往有幾個小型交換機連接在環(huán)網(wǎng)上。通過單線連接交換機的幾個端口，那些入網(wǎng)設備形成了一個標準樹形拓撲。如果交換機與設備間的線纜發(fā)生故障，設備通訊就因一個點的錯誤而中斷。如果一個交換機中斷了其上所有設備的連接，這個交換機也就失效了。這在過程控制中是不可接受的。
如下面幾種情況圖：
所以目前流行的環(huán)型拓撲設計是由瑕疵的，它對于工廠或建筑自動化是可行的，但還不能滿足有著更高要求的過程控制等領域;如石化、煙草等。
2.2 解決瑕疵的辦法
如果環(huán)型拓撲不是冗余的，那么什么才是完全冗余的？筆者以為它應是包括設備、網(wǎng)絡、端口的全部冗余。
正如上圖所示，A類PLC設備配置為單網(wǎng)卡，B類PLC設備配置為雙網(wǎng)卡，對于兩種不同的終端設備A類和B類如何實現(xiàn)各自的冗余呢？雙網(wǎng)卡的B類PLC設備按照工業(yè)冗余方案可以采用兩個網(wǎng)卡分別接到兩個環(huán)網(wǎng)上，從而實現(xiàn)鏈路冗余；而單網(wǎng)卡設備呢？筆者提出以下解決方案，單網(wǎng)卡的A類PLC設備通過一臺冗余保護器接到兩個環(huán)網(wǎng)上，所謂冗余保護器是專門為工業(yè)冗余網(wǎng)絡設計的一款工業(yè)級以太網(wǎng)產(chǎn)品，它可以形象的比喻為一個岔路口，分出的兩條路都可以到達目的地，我們把他們稱為主路和輔路，汽車在這里可以根據(jù)情況選擇前方兩條路徑，平常狀況下走主路但當主路出狀況時改走輔路，從而保證了道路的連通行。
總之，以太網(wǎng)技術已經(jīng)發(fā)展到了工業(yè)自動化領域，又為了適應這一環(huán)境開始進化出了工業(yè)以太網(wǎng)技術這一分支。實時性和冗余自愈會是這一分支進化演變的重要方向。在這方面目前的工業(yè)以太網(wǎng)技術比傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)技術已有長足的進步，但是要在實時性和冗余自愈在做到盡善盡美，還有一段路要走。而這段路的長短，取決于工業(yè)以太網(wǎng)廠家和自動控制廠家兩方面的努力的程度。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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