作者 |?Henry Martel, Antaira

“? 當今的工業網絡智能且強大，這與幾年前的情況相比，是一個巨大的變化。? ”

近年來，工業通信取得了長足的進步。已經不再是現場總線卡和串行連接器的時代。當今的工業網絡，智能且強大。它們可以通過高速無線網橋、高性能千兆工業以太網交換機和萬兆光纖鏈路傳輸數據。

然而，情況并非總是如此。直到最近，工業網絡仍然主要是閉環網絡，由集成數字電路、微處理器和邏輯控制器之間的簡單通信組成。多年來，這些簡化的通信形式一直是工業標準。

隨著技術和通信的進步，數字電路變得越來越笨重， 限制性強，維護成本高昂。工業企業需要更快、更強大的通信方式，以實現擴張和增長。這最終導致以太網技術被引入到過去封閉的數字環網中。

這些改進的通信方式，對工程師來說是一個重大的飛躍。這種新的數據傳輸方式使工程師能夠擴展過去封閉的數字網絡，并將遠程管理和分段等新功能，以及基于PC的硬件和軟件融入到他們的網絡中。

基于以太網的通信具有變革性，然而它確實帶來了一些挑戰。在傳統的以太網通信中使用的IEEE 802.3標準，不能滿足實時工業通信的要求。以太網TCP太慢了。錯誤檢查功能，雖然可以確保數據包的傳遞，但會導致延遲，無法支持實時通信。

以太網UDP的數據包傳輸速度，要比TCP快得多。然而，UDP協議的設計不是特別可靠，不能確保實時數據流所需的可靠的數據包傳輸。這些功能的缺乏，最終導致了工業協議的誕生，這些協議可以在亞毫秒內提供可靠的數據包交付，這是同步工業通信流所必需的。

多年來，交換技術也經歷了幾次變化。曾經將通信聯系在一起的集線器和中繼器已經過時。在數據傳輸過程中缺乏服務質量（QoS）會導致信令問題，應用程序通常會超時。

為了改善數據流，增加了帶沖突檢測的載波偵聽多址接入，但隨著具有高級功能集的多層交換機的出現，集線器和中繼器被淘汰。最終，工業化網絡設備應運而生。這些功能豐富、堅固耐用的網絡交換機，專門為工業環境設計，將為工業領域提供所需的先進通信。

不斷增加的挑戰

交換技術的進步確實為工業網絡打開了大門。具有更大集成內存的更強處理器芯片，使制造商能夠以更高的速率提高數據吞吐量。我們現在看到的工業網絡交換機集成了1 GB 和10 GB 交換機端口，以及高達40 GB 的背板交換。

這種交換能力的增加，導致了嚴重依賴帶寬可用性的智能工業設備的激增。隨著工業網絡變得復雜，更依賴帶寬的設備上線，過度訂閱的交換機端口的鏈路擁塞已成為一個真正的問題。現在，工程師們必須處理工業網絡中的企業網絡問題。因此，他們正在進入管理員的工具包，并使用QoS 等管理功能來穩定網絡。

現代化的工業網絡，模糊了曾經分離的企業和工業網絡之間的界限。過去，企業和工業網絡是兩個物理獨立的網絡，現在則是虛擬分離的，在網絡的核心和分發層面上是相互連接。為了進一步增加復雜性，這些網絡通常共享虛擬LAN 段，這些段通常帶有安全策略、路由策略和帶寬策略。

服務質量QoS能為工業通信做些什么？

在典型的網絡中，數據流或數據包的傳輸是基于盡力而為的交付。這意味著在擁塞期間，所有傳輸的數據都有相同的幾率被傳輸和丟棄。對于非關鍵數據流或流量，這種數據傳輸方法沒有問題。然而，對于某類數據流，例如控制和同步，對數據包的交付時間有特殊要求。

圖1：現代化的工業網絡。

QoS為擁塞期間的數據包優先級和帶寬控制提供了機制。這些機制應用流量過濾器來維護特定類型數據流（如VoIP 和精確時間協議）的QoS。

要理解QoS， 首先必須熟悉7 層OSI 模型和4 層TCP/IP 協議棧。更重要的是，為了創建高效的QoS 實施，您必須了解網絡的第2 層和第3 層功能。

第2 層和第3 層有不同的體系結構，處理數據流的方式也不同。第2 層，以幀的形式處理數據流，而第3 層則處理數據包。第2 層幀使用MAC 地址作為轉發幀的源和目的地。第3 層數據包使用IP 地址實現同樣的目的。?

圖2：第2 層數據包轉發

服務質量（QoS）概述

QoS 提供了兩種確保數據傳輸的基本方法，即被稱為集成服務（IntServ）的有狀態負載控制，和區分服務（DiffServ）的無狀態負載控制。集成服務使用信令方法，在數據傳輸之前驗證網絡資源是否可用。區分服務使用配置方法標記數據包。在本文中，我們將使用區分服務進行QoS管理。

圖3：第3層數據包轉發

區分服務體系結構規定，在進入網絡時對每個數據包進行分類，并在退出網絡之前進行處理。根據傳輸的流量類型的不同，分類將在第2層或第3層報頭內完成。

第2層幀分類，在IEEE 802.1Q幀報頭內完成，并使用802.1p服務類別（CoS）規范，來確定流量優先級。通過在802.1Q標記的以太網幀中找到的3位用戶優先級中分配0-7之間的值，可以將流量分類為低優先級或高優先級。

第3 層數據包分類，使用區分服務代碼點（DSCP）。這些值位于IP 數據包報頭的服務類型（TOS）字段內。TOS 是用于流量分類的一組屬性。

DSCP 值可以是數字值，也可以是基于標準的名稱， 稱為每跳行為。DSCP 標記有幾大類：盡力而為（BE）、類選擇器（CS）、保證轉發（AF）和快速轉發（EF）。

服務質量背后的機制

在擁塞期間，網絡流量經由配置好的QoS 端口進入交換機，然后會被分離和處理。首先使用CoS 或DSCP 值并依據其規格，對傳入流量進行分類，然后再進行分離。

分離后的流量，被轉發給監管者進行帶寬控制。監管者確定需要哪種類型的帶寬需求，并在逐包的基礎上確定采取什么措施。包括轉發、修改或刪除在內的操作由標記器執行。數據包根據其在出口接口上的規范放入隊列中，并轉發到其目標。

?輪詢排隊?

路由器和交換機上的以太網端口，具有一組隊列或緩沖區，數據包在等待傳輸時就存儲在這些隊列或緩沖區中。有幾種方法可以釋放這些隊列，但最常見的兩種是嚴格（Strict）排隊和輪詢（Round robin）排隊。

嚴格排隊確保在從低優先級隊列釋放單個幀之前高優先級隊列為空。這對于在實驗室測試QoS非常有效，但在大多數實際應用中，效果并不理想。在等待高優先級隊列清空時，發送低優先級幀的應用會超時并導致失敗。?

▎圖4：輪詢排隊

輪詢排隊允許低優先級隊列與高優先級隊列一起傳輸。這種方法可以防止電子郵件或網頁流量等低優先級應用在擁塞期間超時。輪詢排隊將以高優先級和低優先級隊列的順序傳輸數據。例如，10-1將在返回發送另外10組幀之前，將10個高優先級幀發送到1個低優先級幀。輪詢排隊不斷在隊列之間循環傳輸，直到它們被清空。您可能會看到一個路由器或交換機，具有4個優先級隊列，輪詢機制設置可能會被視為10-7-5-1。這是輪詢機制從一個隊列轉到下一個隊列時釋放的幀數。

?了解您的網絡?

在網絡中創建高效的QoS 以實現流量管理和強健的

連接，需要許多詳細步驟。具有隨手可用的一些工具可以節省時間，避免代價高昂的錯誤，從而有助于縮短這些步驟。

1、創建詳細的分層網絡圖

這是管理員工具包中最重要、也是最容易被忽視的工具之一。擁有一張詳細的、有充分文件證明的網絡圖， 不僅會消除對網絡的任何誤解，而且還會成為你規劃中的一項資產。您的網絡圖應該包括以下內容：

第1 層——物理硬件：盡可能概述（網絡設備、控制設備、I/O 設備和工作站）以及用作互連鏈路或聚合中繼的物理端口。此外，如果可能，請列出媒介類型和設備之間的距離。

第2 層——鏈路控制和分段：列出鏈路速度和雙工設置、VLAN 成員資格和點對點連接。這將有助于確定可能的擁堵點。

第3 層——IP 尋址：列出所有子網、路由、隧道、VPN或任何將流量定向到另一個子網和網絡的內容。?

2、制造商文件

使用制造商配置指南和規格表，來驗證QoS實施的功能集和配置策略。

3、建立網絡基線

分析實施前后的流量模式和帶寬利用率，創建網絡基線。您可能會多次重新查看設備配置，以獲得正確的網絡優化。

?服務質量QoS的實施?

一旦收集了所有這些信息，就需要協調QoS的實施。確保給自己足夠的時間來分析流量和測試配置。最佳實踐方法建議從網絡的外部邊緣開始，朝著分發和核心交換機的方向努力。

多年來，工業化網絡已經取得了長足的進步。先進交換技術被引入到過去封閉的數字網絡，為新一代通信打開了大門。新一代工業化協議、千兆交換機端口和無線數據傳輸，使工業行業能夠以更安全、更高效的方式增加產量。

然而，這些新功能是有代價的。新應用和I/O設備嚴重依賴帶寬進行同步和時間敏感的通信。在現代化的工業網絡中，用于傳輸數據流的有保證的帶寬是一種優質的資源，在處理和分配時必須如此。工程師和管理員用來管理和提供有保證帶寬的工具之一，就是QoS。

QoS 憑借其先進的機制，可以在網絡擁塞期間提供所需的帶寬分配。通過配置網絡交換機，來優先處理特定類型的流量，可以保證不間斷服務的數據傳輸。

實施QoS 以實現高效的數據包交付，不是一項小任務。這是一個復雜的過程，需要時間和精力來協調和配置。然而，擁有一個高效、完善、有文檔記錄的網絡，并可根據您的具體需求進行定制，是值得投資的。?

本文來自于控制工程中文版（CONTROL?ENGINEERING?China）2022年6月刊《技術文章》欄目：現代工業網絡的服務質量

編輯：黃飛

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