关于工业以太网交换机，你应该知道这些

工业以太网交换机用于连接以太网设备。它首先接收由某台设备发出的数据帧，然后再将这些帧传送到与其它以太网设备相连的适当交换机端口上。

随着它传送这些帧，它会学习并掌握以太网设备的位置，并用这些信息来决定该用哪些端口来传送帧。这有助于减少网络占用率。

与民用以太网交换机相比，工业以太网交换机产品在设计、元器件选择、强度、适用性等方面都能满足工业领域的需求。

关于工业以太网交换机，你应该知道的10个技术术语。

一、拓扑结构

拓扑是网络中电缆的排列。众所周知，EIA-485或CAN采用总线拓扑结构。然而，在工业以太网中，由于集线器或交换机被广泛使用，拓扑结构是星形或分散星形。

二，布线

工业以太网电缆包括屏蔽双绞线(STP)、非屏蔽双绞线(UTP)、多模或单模光缆。10Mbps的速率对于双绞线来说不算太高，而在100Mbps的速率下，建议使用5类或5类以上的线。

连接需要一对光纤，常见的多模光纤的波长为62.5/125μm或50/125μm m，单模光纤的内芯相对于多模光纤的内芯非常细，只有10μm m左右，一般多模光纤在10Mbps时使用，单模和多模光纤在100Mbps时都适用。

三、接头和连接

RJ-45是一种常见的双绞线连接器，有两对导线，一对用于传输，另一对用于接收。在媒体相关接口(MDI)的定义中，这四个信号分别被标识为RD+、RD-、TD+、TD-。

一条通信链路由DTE(数据终端设备，如工作站)和DCE(数据通信设备，如中继器或交换机)组成。集线器端口标识是MDI-X端口，表示DTE和DCE可以通过直通电缆连接。如果连接了两个DTE或两个DCE会怎样?可以使用线缆交叉的方法，也可以直接使用hub提供的上行端口(不要交叉线缆)。

光纤连接器有两种，ST连接器用于10Mbps或100MbpsSC连接器专用于100Mbps。SC连接器通常用于单模光纤。DTE和DCE之间的连接只需要遵循端口的TX和RX标识。

四、工业以太网和普通商用以太网产品

什么是工业以太网？在技术上，它与IEEE802.3兼容，但设计和封装考虑到了工业和商业应用的要求。考虑到工业现场的特殊要求，工业设计师希望采用市场上可买到的以太网芯片和介质。首先考虑的是高温、潮湿和振动。第二，看能不能方便地安装在工业现场控制柜中。第三是功率要求。许多控制柜中的电源是低压交流或DC。壁挂式电源设备有时候并不合适。电磁兼容性(EMC)的要求随着工业环境对EMI(工业抗干扰)和ESD(工业抗震)的要求而变化。工地的安全标准和办公室的完全不同。有时候需要的是恶劣环境的评级。工厂可能采用工业控制柜标准，而建筑系统往往采用排烟标准。显然，低价商用以太网集线器和交换机无法满足这些要求。

五、速度和距离

在讨论共享以太网的距离时，我们不能忽略CollisionDomain这个概念。

共享以太网或半双工以太网的媒体访问由载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)决定。在半双工通信模式下，发送和接收不能同时进行，否则会发生数据冲突。发站点之前，先看看有没有免费频道。发送时，站点也会监听一段时间，确保这段时间内没有其他站点在同步发送，最终站点发送成功。相反，当冲突发生时，源站发送阻塞信号来加剧冲突。在争用延迟后重试(延迟时间由算法决定，是随机的)。在这种机制下，所有站和所有集线器必须在同一个冲突域中。

对于工业以太网，最常用的是10Mbps和100Mbps。在10Mbps，全双绞线以太网中，有两个与距离有关的概念，即网段和网络直径。前者是指两个设备(集线器、交换机或主机)之间的距离，后者是指网络中最远的两个设备之间的距离。无论是10Mbps还是100Mbps的网络，网段的最远距离都不能超过100米。

考虑到网络扩展，最有用的规则是5-4-3规则(仅适用于10Mbps中继器)。规则如下:一个网络最多有五个网段，四个中继器，不超过三个混合网段。混合段是指同轴总线段(已过时)。由于双绞线网段的最长距离为100m，因此最大网络(网络范围)为500m。光纤网段最远距离可达2km，但IEEE802.3标准规定，使用光纤时，级联数最多不超过3个，网络末端使用双绞线。中间两个是光纤网段，每个网段不能超过1公里。这样，整个光纤网络段的长度被限制在2km以内。5-4-3规则不适用于100Mbps。建议使用100Mbps交换机。

六、集线器和交换机

中继集线器(Hub)集线器是以太网拓扑的基础设备。它是一种多端口设备，具有四个、八个和十二个端口，可以级联形成分布式星形拓扑。所有集线器都符合IEEE802.3中继单元的要求。这些要求包括前同步码生成、对称性和幅度补偿。直放站必须对信号进行重定时，使信号在多个网段传播时，收发机和电缆引起的信号抖动不会累积。这些设备可以检测不完整的数据包和冲突，并生成阻塞信号。它们还会自动隔离有问题的端口，以保持网络正常工作。

适配器另一系列产品是接口适配器，有时称为收发器。他们把一种媒介变成另一种。最重要的转换是从双绞线到光纤的转换。因为很多集线器没有光纤端口，所以使用接口适配器来支持光纤在网络中的应用。这些设备在网络中是透明的。该端口不存储帧或检测冲突，而只是在另一端将一种介质转换成兼容的信号。

A型交换集线器(switch)交换集线器可以代替中继集线器，提高网络的性能。与物理层设备-中继集线器不同，交换机集线器实际上是连接两条数据链路的网桥，这意味着冲突域终止于每个交换机端口。所以增加交换机扩大了网络的地理范围，级联交换机可以大规模实现网络扩容。交换机比中继集线器更复杂。双绞线端口自动与附件端口协商速率(10Mbps或100Mbps)。流量控制功能也是通过协商实现的。全双工网段采用暂停方案，半双工网段通常采用背压方案。在读取完整的帧并查看其源地址后，交换机可以找到所连接的以太网设备的端口位置。然后，交换机生成一个端口地址表，并维护该表的内容。从此，网络通信仅限于与此传输相关的端口。因为在这些端口上不需要任何操作就可以实现同步传输，提高了网络的吞吐量。表格的内容会根据连接信息的变化自动刷新。

如果一个端口接收到的信息需要广播、分组发送或发送到未知地址，交换机会自动将信息发送到所有端口。与中继集线器不同，它有多个冲突域，每个冲突域都必须遵守上述规则。

中继集线器可以连接到交换机端口。如果网络全是交换机，双绞线网段保持100米，但级联没有限制。使用光纤前，必须注明是半双工还是全双工。中继hub和交换机hub的对比很明显，交换机的性能要比hub好，但是hub的优点是容易理解，在任何端口都可以通过网络分析仪观察到数据通信。交换机必须在一个端口上实现广播发送器来测量。作为网桥，交换机存储和整个数据帧，并导致数据延迟。集线器接收网络信号时没有数据延迟。级联交换机也会增加延迟，因此集线器和交换机在工业以太网中有自己的应用。

七、半双工、全双工

半双工意味着相同媒体的发送和接收是异步的。另一方面，全双工有单独的发送和接收路径。全双工链路是扩展快速以太网(100Mbps)的关键。全双工链路网段不能超过两台设备，可以是网卡，也可以是交换机端口。注意:它不是中继集线器端口，集线器没有全双工模式。这是因为集线器是冲突域的一部分，它会加强其它端口收到的冲突。只有两块网卡时，可以实现全双工通信。当有两个以上网卡时，必须考虑切换。

0base-T和10BASE-FL有独立的发送和接收通道，可以根据网卡或交换机端口的复杂程度进行全双工。如果这些接口配置为半双工模式，接收和发送的同步检测将触发冲突检测。同一接口设置为全双工，冲突检测将被禁止，因为全双工不符合共享CSMA/CD规则。

应该正确配置全双工链路。当工作站配置为全双工模式时，工作站或交换集线器的端口会忽略CSMA/CD协议发送帧。如果另一端设置为半双工模式，会检测到冲突，并引起其他问题，如CRC错误，网络速度下降，快速以太网的优势消失。

如前所述，100Mbps的网络范围因碰撞而缩小。对于双绞线网段和交换机端口，网段的最长距离是100m(冲突域内)。问题是在光纤端口上，对于多模光纤，网段长度是2km对于单模光纤，是15km。半双工模式下，由于冲突域的限制，网段距离为412m。因此，只有在全双工模式下(忽略CSMA/CA)，光纤网段的扩展才能达到极限。在快速以太网模式下，推荐使用交换机技术。快速以太网下的光纤端口，推荐全双工。

八、自动谈判

由于快速以太网应用广泛，其布线规则与传统以太网相似，IEEE802.3u建议自动配置快速以太网，以便传统以太网端口可以与其他快速以太网端口一起工作。配置协议基于美国国家半导体公司的Way标准。双绞线链路会自动匹配速度，以便于数据通信。该方案适用于双绞线链路。光纤的情况就不同了。

虽然光纤在以太网的发展史上扮演了非常重要的角色。但是两个光纤设备的速度不能自动协商，因为10BASE-FL设备工作在850nm，100BASE-FX设备工作在1300nm。两者无法互通。但是，对于自动协商协议，两个光纤设备之间的自协商是可行的(如果通信没有问题)。意识到这一点，新推出的100BASE-SX标准可以使850nm光纤工作在10Mbps或100Mbps。100Mbps时，网段距离为300米。因此，安装时请注意。光纤的速率通常是固定的，不进行协商。自动协商协议在双绞线链路中是成功的。自动协商的好处是不需要用户手动设置，设备本身决定各自的技术水平。从高到低的级别如下:

100base-t全双工最高，依次1000BASE-T、100BASE-T2全双工、100BASE-TX全双工、100BASE-T2、100BASE-T4、100BASE-TX、1base-t全双工、0base-t最低。

最低级别是10BASE-T(半双工，共享以太网)，最高级别是1000BASE-T全双工。这是一个完整的优先级方案，但并不意味着某个网卡可以处理所有这些技术。实际上，有些技术并没有实现商业化，但它们都符合IEEE802.3标准。每个端口检查自己的技术性能并确定最终速率(较低的速率)。例如，如果网卡支持10BASE-T，交换机端口容量为10BASE-T或10BASE-TX，那么最终选择的是10base-T，如果一个网卡是10BASE-T，另一个是100BASE-TX，那么两者因为不兼容而无法通信。

九、传输协议

最初的设计没有涉及可靠的端到端信息传输。网络互联(两个网络互相通信)的义务在于第三层——网络层。传输和互联成为协议栈的一部分，TCP/IP和SPX/IPX是两种常用的协议。这两种协议不能互相操作，因此以太网节点必须使用兼容的协议。由于TCP/IP在互联网中的应用，它已经成为主要的协议，在工业网络中也是如此。其实TCP/IP是一套RFC定义的协议(requestforcomments)，已经存在很多年了。

除了以太网之外，TCP/IP还与其他数据链路技术一起工作，它位于物理层/数据链路层。在传输层，有两个重要的协议:TCP和UDP。前者确认收到的信息。两者都很有用。在协议栈的上层，有几种用于工业以太网的有用的应用层协议。寻址对于用户来说是一个重要的话题。IP协议负责可能位于不同网络的站点之间的数据包路由。每个站点都有一个唯一的32位地址(分别是网络地址和主机地址)。地址用十进制四字节表示。128.8.120.5是一个有效地址，但无法确定它是主机还是网络。地址分为五类，地址分为A~E类。可以通过观察第一个字节来进行分类。

IP的分配并不简单，通常由网络管理来分配。一旦分配，它必须应用于网络中的每个站。有两种类型的IP地址：静态和动态。动态分配由服务器执行。静态分配是通过配置完成的。以下地址是私有的，不能在路由器上分配。因此，它们在互联网上没有应用。

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地址和以太网MAC地址是不同的，不能混淆。MAC地址是由设备制造商分配的，因此它在世界上是唯一的。IP地址在安装期间分配，并根据需要重新分配。

十、应用层协议

确定使用的连接器、电缆、集线器或交换机，分配IP，您就可以在站点之间进行通信。现在我们需要考虑OSI高层的兼容性。这里推荐的工业自动化协议是以太网/IP、iDA、PROFInet和Modbus/TCP。这还不包括传统的互联网应用程序——FTP、SNMP、SMTP和TELNET。用户的设备可能不支持这些协议，所以需要了解自己系统的兼容性。