认识工业网络——常见的工业网络拓扑结构

导读：当前全球各个涉及制造的厂家都在坚定的推进智能制造，而整个推进路程中最重要的一点就是要实现“万物”的“互联”。在常见的一些民用行业，比如智能家居行业就可以通过统一硬件侧的操作系统、通讯协议等等实现万物的互联，但是在工业领域往往一个传感器、气缸、电机不会直接接入物联网平台，往往需要通过构建控制系统、监视系统、采集系统、制造系统利用工业相关通信协议等等来实现互联。这样在工业现场就需要优先构建一个工业网络来完成设备的组装，再入网。那么要成为工业网络专家即具备网络基础知识，又需要工业控制网络知识。

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我们常常在生活中可以看到各种各样的“网络”，比如中国的水域网络、公路网路、铁路网络、航运网络等等，我们都会发现各个城市通过各种各样的“网络”连接起来了。

这个时候我们会发现水域网络更像一个树，各个城市就像这个树上的一片片叶子，亦或像航运网络，各个城市与城市之间像星星一样连接起来。

这样我们其实就会发现一个问题，同样是连接不同的城市，但是可以通过不同形式的“线”连接起来，这种“线”可以像树的枝干一样分布开来，可以像公路一样，构成环路，可以像航运一样像星星光芒一样发散出来等等。这样“线”的不同的组成方式，连接方式，就是我们常常所说的"网络拓扑"。

网路拓扑，英文全称是NetWork Topology，即网络拓扑结构，就是将各种网络设备用各种不同的方式进行连接起来。

网络拓扑(Network Topology)结构是指用传输介质互连各种设备的物理布局。指构成网络的成员间特定的物理的即真实的、或者逻辑的即虚拟的排列方式。如果两个网络的连接结构相同我们就说它们的网络拓扑相同，尽管它们各自内部的物理接线、节点间距离可能会有不同——百度百科

在目前我们能够看见的是各种计算机设备、手机、路由器、交换机、服务器等等组成了各种互联网，而在物联网时代，除了在互联网中的原有的物的相连以外，还包括各种各样的物，比如智能音箱、家居家电、汽车、挖掘机、手术机器人、路灯、垃圾桶等等。如何选择一种适合自己的连接方式，就显得更加重要了。

那么常见的网络拓扑结构有哪些呢？

不管是在传统网络，还是在类似于工业网络中，网络拓扑结构其实分为了很多种，比如星型结构、拓展星型结构、环形结构、总线型结构、混合拓扑结构、分布式结构、树形结构、网状拓扑结构、蜂窝拓扑结构等等。

其中在工业网络中经常能够看见的包括星型结构、环形结构、分布式结构、树形结构、总线型结构，我们将在陆续介绍这些：

星型结构

星型结构明显特点是中间有一个中心点，一般这个中心点可能是路由器或者交换机。其中每一个节点（比如个人PC）都直接连接到这个中心点，构成了整个网络。

一般在工业网络中最常见的这个中心点就是PLC，其他类似的像阀岛、伺服控制器、变频器、远程IO等直接接入PLC。工业以太网中也能够看到很多是以交换机为中心，像PLC、远程IO、变频器等等组成了这些节点的情况。

这样如果一个节点要与其他节点通信，都需要通过这个中心节点进行通信，这样该节点发送的每一个数据包都先发送的数据发送到这个中心节点（比如PLC、比如交换机），再由中心点负责将数据包送到相应的节点。

由此我们可以看到星型拓扑结构的网络，网络结构非常简单，便于管理，某一个节点出现故障以后也不会影响到其他节点出现问题。但同时也有相当大的缺点：需要耗费大量的线缆，成本高，同时中心点承担数据交换，一旦发生故障，则全网受到影响。

环形结构

相对比于星型结构，环型结构中将不再有中心点，而是所有的节点通过首尾相连形成一个闭合的环。这样信息就在真个环上流动。一般在工业网络上在构建以工业以太网构建环路上上，比较常见

通过该结构我们可以注意相较于星型网络，其简化了网络结构和路径选择，增强了整个网络的可靠性。但是由于网络是封闭，如要新增节点需要的可扩展性将受到影响。

树形结构

对于自动化系统而言，树形结构是最常见的网络结构，其中最典型的就是DCS系统体现的特点：集中，分散。这种结构与星型结构相比，它的通信线路总长度短，成本较低，节点易于扩充，寻找路径比较方便，但除了叶节点及其相连的线路外，任一节点或其相连的线路故障都会使系统受到影响。

通过上图中的结构示意图，树形结构整体可扩展性蛮大的，可以延伸出很多分支和子分支， 这些新节点和新分支都更容易地加入网络结构中。如果某一分支的节点或线路发生故障， 很容易将故障分支与整个系统隔离开来。。但与此同时， 各个节点对根节点的依赖性太大。如果根网络设备发生故障，整个网络将崩溃。

总线型结构

这种网络结构，像目前工业网络中的很多现场总线都是基于这种结构构建的。各个站点均是均挂在一条总线上，各工作站地位平等，无中心节点控制，公用总线上的信息多以基带形式串行传递，其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩散。各节点在接受信息时都进行地址检查，看是否与站地址相符，相符则接收网上的信息。

这种结构比较简单，可扩展性好。但是若一其中某一个节点出现问题，整个网络将会影响。

分布式结构

正如航空网络一样，各个节点通过线路互连起来。这种分布式网络采用了分散控制，即使整个网络中的某个局部出现故障，也不会影响全网的操作，因而具有很高的可靠性。与此同时，由于可以有多重数据传输路线可以选择。同时由于连接线路较多，其管理就会非常复杂（报文分组交换、路径选择、流向控制复杂等等）

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