優勢 1

　　冗余和可用性工業網絡的一個關鍵設計元素是物理級的冗余。在電纜或設備發生故障的情況下，擁有第二或第三條鏈路進行流量故障切換，對于網絡來說至關重要。即插即用的第2層非托管以太網交換機，如果電纜未正確連接，則可能會發生數據環路，這可能會導致網絡癱瘓。第2層托管交換機利用IEEE 802.1D生成樹協議（STP），該協議允許對交換機進行冗余連接，以確保網絡的正常運行時間和可用性。

　　生成樹的工作方式是，給網絡中的一臺交換機分配一個待機模式的端口，在該端口中，它不會發送或接收數據，直至網絡中的另一條鏈路發生斷路或中斷為止。發生中斷時，交換機上的備用端口將變為活動狀態，允許流量在網絡上流動。傳統生成樹協議（STP）的缺點在于，它可能需要60秒才能響應電纜斷路或中斷引起的拓撲變化。對于微秒計的關鍵過程或制造應用來說，這個時間太長了。

　　在上圖中，紅色的鏈接被設置為待機模式，除非其中一個鏈接發生中斷或故障，否則不會傳輸數據包。這表示基本的生成樹操作，在該操作中無需創建數據循環即可實現鏈路冗余。

　　電氣和電子工程師協會（IEEE）在2001年推出了802.1w快速生成樹協議（RSTP）。快速生成樹協議（RSTP）在6秒內（默認）具有明顯更快的拓撲變化檢測和恢復。盡管快速生成樹協議（RSTP）的恢復時間比生成樹協議（STP）好得多，但對于某些關鍵的工業聯網應用而言，恢復時間仍然太長。

　　許多工業以太網交換機制造商提供專有的快速振鈴技術，可以在幾微秒內解決振鈴中斷的問題。其中包括EtherWAN系統的α-Ring技術，具有不到15毫秒的快速故障轉移恢復時間以及格雷特（GarrettCom）的S-Ring和赫思曼（Hirschmann）的HiPER Ring協議。

　　此外，當今大多數工業交換機制造商都可以通過為交換機提供雙電源輸入來實現硬件冗余。

　　如果電源出現故障或發生其他電源中斷，交換機自動將故障轉移到備用電源，從而保持網絡正常運行。此外，工業以太網交換機的設計未使用冷卻風扇或任何其他可能會由于過熱而發生故障并導致交換機停止工作的活動部件。交換機通常使用一個大的散熱器來捕獲和散發熱量。在某些情況下，交換機實際上作為散熱片使用，具有冷卻作用。

　　通過利用快速生成樹協議（RSTP）或專有的環形體系結構以及固有的硬件冗余，可以實現99.999％的網絡正常運行時間，這一直是每個網絡管理員的目標。

　　優勢 2

　　網絡管理與非托管交換機相比，托管型工業以太網交換機具有許多優勢。托管型以太網交換機利用簡單網絡管理協議（SNMP），而SNMP可用于監視和控制個人電腦網絡上的設備。簡單網絡管理協議（SNMP）是基于標準的協議，幾乎可以與每個托管型以太網設備一同使用。

　　通過動態主機配置協議（DHCP）服務器，可以多次為托管型交換機手動或自動地分配一個IP地址。使用簡單網絡管理協議（SNMP），可以為網絡上具有IP地址的每個設備建立映射。通常情況下，這些設備包括交換機、路由器、服務器、個人電腦、打印機，在工業領域中，包括啟用IP的閥門、儀表和可編程邏輯控制器（PLC）。簡單網絡管理協議（SNMP）允許您執行以下操作，例如禁用交換機端口，收集有關數據包進出端口的統計信息，在達到特定閾值或操作時設置警報等。

　　使用中央簡單網絡管理協議（SNMP）管理站，網絡管理員可以查看整個網絡、發現問題并立即解決這些問題，從而確保網絡的其余部分保持正常運行。此外，通過監視網絡，問題可以在問題發生之前實時得到解決。

　　現在，許多供應商都提供簡單網絡管理協議（SNMP）管理軟件，例如遠景網絡（Network Vision）的IntraVUE、思科系統的思科設備管理器、赫思曼（Hirschmann）的HiVision和西門子的SINEMA服務器以及SNMP-OPC服務器。

　　優勢 3

　　安全性與當今的商業網絡一樣，工業網絡也需要最高級別的安全性，以阻止網絡恐怖分子、惡意員工和互聯網黑客訪問和破壞敏感、往往是關鍵的網絡操作。

　　工業以太網交換機現在提供許多安全功能，包括基于端口和基于VLAN的訪問控制列表（ACL），其中網絡管理員可以定義允許哪些MAC或IP地址訪問交換機上的端口。

　　此外，如果MAC地址與過濾器中列出的地址相匹配，MAC地址過濾功能將阻止轉發任何數據包。如前所述，802.1Q VLAN還提供一個安全層，因為只有VLAN中的節點才能相互通信。在某些情況下，當必須共享某些資源時，可以使用重疊的VLAN。

　　在某些工業以太網交換機中發現的另一個安全功能是802.1X，它是電氣和電子工程師協會（IEEE）的端口級網絡訪問控制（NAC）標準。802.1X定義了以太網上可擴展的身份驗證協議（EAP）的封裝。主機或請求方使用身份驗證協議（EAP）向身份驗證器（通常是以太網交換機）發送請求。之后，身份驗證器封裝EAP數據包，并將其發送到運行遠程驗證訪問撥入用戶服務（RADIUS）的身份驗證服務器。

　　遠程驗證訪問撥入用戶服務（RADIUS）是一種協議，它提供了一種對試圖訪問網絡的節點進行集中身份驗證、授權和解釋的方法。

　　身份驗證服務器不直接與請求方聯系，只將信息傳遞回具有高安全級別的身份驗證器。身份驗證服務器將基于預定義的訪問規則，拒絕或授予用戶進入網絡的請求。

　　通過利用上述一個或多個安全選項，可以確保只有指定的用戶才能訪問您的網絡及其關鍵資源。

　　優勢 4

　　可擴展性通過利用交換式以太網的對等連接模型以及子網或VLAN之間的第2層VLAN和第3層路由，以太網已被證明是一種極度可擴展的技術。即使將更多節點添加到現有網絡，也可以通過使用多播管理協議對用戶組（VLAN）進行分段，為某些數據包分配優先級并進行路由來避免擁塞和流量問題。

　　此外，更高帶寬的以太網技術，例如千兆位和10千兆位以太網，有助于緩解在服務器和路由器等高使用率設備之間使用網絡時的網絡擁塞和網絡速度降低的問題。

　　優勢 5

　　與傳統系統/網絡集成由于以太網在開放系統互聯（OSI）模型的第2層上運行，因此它嚴格地處理數據包的尋址、傳遞和錯誤控制。以太網幀中包含的消息由更高級別的第3層和第4層協議控制。當今，以太網中最常用的通信協議是傳輸控制協議/ 網際協議或TCP/IP。

　　TCP/IP數據包的優點是可以將其他協議封裝在TCP/IP數據包中。例如，已在自動機網絡中使用多年的Modbus網絡，現在可使用TCP/IP封裝與以太網網絡集成。通過使用以太網到Modbus網關，可以保護您對舊系統的投資，同時向網絡中添加新的工業以太網設備。

　　將傳統網絡集成到以太網網絡的優點是允許傳統上基于以太網的業務和運營網絡訪問流程或制造網絡，以收集業務計劃中使用的關鍵數據，例如生產率、浪費、材料使用和生產能力。

　　優勢 6

　　物理差異工業以太網硬件能夠經受制造、流程應用和工廠自動化中的惡劣環境。

　　工業以太網設備必須能夠承受電磁干擾/射頻干擾、沖擊、振動、灰塵、水以及化學和氣體的暴露。另外，由于這些設備用在無法容忍任何停機時間冗余功能的網絡中，例如經常使用雙電源連接。一些交換機利用干接點來設置各種警報，以警告操作員發生故障。這些功能通常無法在商業級設備上找到。工業以太網設備不使用風扇進行冷卻或者其他可能會發生故障的移動部件，并且降低了設備的平均故障間隔時間（MTBF）。該設備外殼經常用作散熱器，以消散運行期間產生的熱量。

　　當用于爆炸性環境（如煉油廠應用）時，某些交換機可提供用于爆炸性環境的UL Class 1 Div 2等級。Class 1 Div 2標識確保不會有火花從設備散發到外部大氣。

　　許多工業交換機制造商都提供了特殊的保形涂層，該涂層可應用于設備的整個印制電路板（PCB）。保形涂料用于非常潮濕的環境和溫度波動的環境。涂層可防止水分進入印制電路板（PCB），導致短路或設備故障。

　　工業額定設備中的另一個功能是極限工作溫度范圍。由于工業以太網交換機、轉換器和路由器通常位于不受控制的環境中，因此它們必須能夠承受極高和極低的溫度。在設計工業額定設備時，與商用設備相比，使用了更堅固的組件，從而提供了更高的平均故障間隔時間（MTBF）和更寬的工作溫度。

　　由于上述原因，工業額定通信設備的成本通常比同類商業產品更高。通過將冗余功能與高質量組件相結合，工業額定設備能夠承受最極端的環境，從而實現工廠內外的無縫通信。

　　左圖詳細介紹了用作設備散熱器的工業以太網交換機的情況。右圖顯示了雙電源輸入，以及在電源故障時用于連接可視或音頻警報設備的干接點。

　　以太網作為一種辦公室/商業網絡技術，已經在世界各地的工業網絡中得到了廣泛應用。通過利用VLAN、優先級隊列、快速生成樹和簡單網絡管理協議（SNMP）網絡管理等以太網標準，工業網絡變得更加安全、強大和易于管理。

　　此外，以太網作為一種開放的標準，得到了數百家設備制造商的支持，實現了不同供應商產品之間的互操作性以及具有競爭力的價格。利用以太網還可以通過使用以太網網關設備橋接兩個網絡，將其集成到Modbus等現有工業技術中，從而確保對傳統技術投資的保護。

　　具有如此眾多的好處和優勢，工業網絡的以太網將一直發展下去。
責任編輯：YYX