工業自動化和物聯網背景下的網絡拓撲結構主要是指節點和設備（如傳感器、執行器、智能電機、驅動器和控制器）以及交換機、集線器和網關之間的硬接線通信連接的布局。機器或大型工廠裝置所用網絡拓撲結構決定了：

• 　　系統通信穩定性和速度
• 　　工業網絡所擁有的冗余量和恢復時間
• 　　最重要的連接恢復能力（在網絡中的某些鏈路發生故障后）。

　　本文解釋了幾種網絡拓撲結構，包括各種環形拓撲結構，以及一些專有的拓撲結構和它們的使用范圍。

圖 1：這里展示的是工業網絡拓撲結構的主要家族。（圖片來源：Design World）

　　更多關于工業網絡拓撲結構類型的信息

　　工業自動化網絡的拓撲結構是指歸類為鏈路（有線布局中的電纜連接）和節點的網絡組件彼此之間的布局方式。節點是指可以作為再分配點或通信端點的設備。相反，鏈路是節點連接的手段——無論是有線還是無線。鏈路可以是：

　　單工——只允許單向通信

　　雙工——允許在兩個方向同時進行通信

　　半雙工——允許任何方向的通信，但一次只能有一個方向

　　一個網絡的拓撲結構就是節點通過鏈路連接的方式。布局有很多。

　　總線網絡拓撲結構：采用總線拓撲結構的網絡有一條主要的電纜“軌道”（稱為總線），每個節點都獨立地連接到它，或在許多行業參考文獻中稱為“分支”。

　　星形網絡拓撲結構：采用星形拓撲結構的網絡是圍繞著一個節點以集線器的形式集中進行的。然后，其他節點通過其鏈路連接到集線器。星形拓撲結構在省電方面也有一些優勢，因為個體設備只需間歇性傳輸，可以關閉電源，只有集線器需要持續供電。

　　網狀網絡拓撲結構：這是具有完全連接拓撲結構的網絡，將每個節點連接到每個其它節點。采用網狀拓撲結構的網絡（如完全連接的布局）基于去中心化的連接，每個連接均采用以同樣的方式，但并不要求每一對節點都是連接的。不是每個節點都連接到其他節點的設置，有時稱為部分連接的網狀網絡。

　　無線網絡通常使用網狀拓撲結構，因為這些拓撲結構堅固而安全，并且降低了功耗。這對于擁有電池供電型節點的網絡來說是一個有用的功能。網狀網絡還可以在即定布線量下提高網絡范圍，因為單個鏈路可以比整個網絡短。這對擁有許多低功耗傳感器的大型物聯網來說是有利的。也許最重要的是，采用網狀拓撲結構的網絡提供了最高的靈活性和冗余度——尤其是在完全連接的情況下。有一點需要注意的是，從鏈路故障中恢復可能很慢，因為系統必須在網狀結構中找到一條新的路徑——可能需要重新配置斷裂鏈路周圍的端口。對于有線網絡，額外的電纜和端口也使得網狀拓撲結構更加昂貴。

　　環狀網絡拓撲結構：采用環形拓撲結構的網絡將每個節點與相鄰的兩個節點按順序連接起來，形成一個環。這也稱冗余環，因為鏈路可以只在使用時才啟用。

　　深入研究工業自動化的環形拓撲結構

　　環形拓撲結構的網絡具有良好的數據傳輸率，并能從鏈路故障中迅速恢復。電纜費用也相對較低。難怪環形拓撲結構通常是有線工業自動化網絡的主要選擇。在一條冗余鏈路被禁用的情況下，環形網絡可有效形成一條線路，并能提供快速和有效的通信。在鏈路故障期間，沒有復雜的重新路由。相反，冗余鏈路激活也簡單——且所有其他鏈路繼續使用系統的默認端口路由。

　　考慮傳輸控制協議 （TCP） 和用戶數據報文協議 （UDP） 中常見的環形拓撲布局。通過 TCP 和 UDP IP 協議，互聯網連接成為可能，因為每個設備都有一個 IP 地址。這些 IP 地址允許系統將數據包從一個地址路由到另一個地址。數據包包含實際數據并在報頭中帶有附加信息，其中包括目的地 IP 地址。

　　TCP（通常稱為 TCP/IP）控制數據包如何在其目的地重新組合。這樣做的先決條件是有來自發送方和接收方的通信。發送方在報頭中包括序列號，而接收方必須返回一個確認收到數據包的消息。如果數據包沒有被確認，它們就會被拒收。設備還會在每個數據包頭中使用校驗和來檢查數據包的錯誤。這種 TCP 過程確保了可靠的數據交換，但也造成相對緩慢的來回通信過程。相比之下，UDP（較新的 IP 協議）允許在 IP 地址之間進行更簡單和快速的數據傳輸。接收方設備不需要確認收到數據包，所以速度更快，代價是可靠性略有下降。

　　冗余挑戰和補充解決方案

　　基于以太網的系統中的網絡管理協議補充了冗余功能，以在確保數據有效的同時避免橋接環路出問題，并避免引起廣播輻射。基本上，橋接或交換環路是不必要、有問題的重復數據傳輸。這些環路造成了設備之間的重復連接傳播——當網絡在兩個通信的網絡節點之間有多條路徑時就會發生。

圖 2：在工業自動化領域，環形拓撲結構速度快，能從鏈路故障中快速恢復。（圖片來源：Design World）

　　橋接環路會造成重復的數據重播，這反過來又會造成網絡過載和網絡速度急劇下降。這個問題最容易出現在有大量冗余的系統中。

　　鏈路聚合使用平行的以太網電纜和端口來增加帶寬和加速恢復。這意味著當一條鏈路發生故障時，連接不會丟失，但一些數據可能會丟失，帶寬也會減少。電纜通常因某些機械因素損壞而失效，平行電纜應沿不同路徑布線，這大大增加安裝成本。這種簡單的方法被標準化為鏈路聚合控制協議 （IEE 802.1ad）。

　　既能保持冗余的優勢，又能避免橋接環路。在這里，解決方案是具有平行物理環路的拓撲結構，輔之以通過使用網絡管理協議有選擇地禁用鏈路的能力。然后，如果一條活動鏈路發生故障，邏輯拓撲結構就會擴展到包括一條冗余鏈路——并圍繞故障鏈路進行重新路由。生成樹協議 （STP）、快速生成樹協議 （RSTP） 和各種專有環形協議都提供了這種網絡管理功能。請注意，生成樹是這些協議中創建的無環路邏輯拓撲的另一個名稱；不屬于生成樹的鏈路被禁用。

　　STP 和 RSTP 適用于網狀和環狀拓撲結構，為大多數應用提供了適當的快速恢復時間。也就是說，最苛刻的工業自動化應用往往要求極快的恢復時間，只有專有的環形協議才能做到。

　　專有環形協議抽樣

　　顧名思義，專有環形協議是特定于網絡硬件制造商的。例如，某些 Red Lion N-Tron 交換機使用 N-Ring 專有環形協議。這些專有協議控制網絡環路并處理鏈路故障，提供了替代 STP 或 RSTP 的選擇。

　　如前所述，環形拓撲結構主要用于物理接線的工業自動化網絡，因為其延遲低，能夠提供最高的可靠性，所以具有最快的數據傳輸和鏈路故障恢復速度。冗余是恢復鏈路故障的關鍵。關鍵是，冗余會導致重復數據出現循環問題。要防止這個問題，就必須要有能夠防止環路和快速恢復鏈路故障的網絡協議——特別是對于不能容忍停機的工業自動化操作。對于這種需要保持快速故障恢復時間的應用，專有的環形協議往往是最合適的選擇。

　　考慮一下幾個最廣泛使用的專有環形協議。

　　HiPER 環在 1999 年由 Hirschmann 和西門子發布，是一種專有的環形協議。它現在在 IEC 62439 中得到了標準化，有一個通用的名字叫媒體冗余協議 （MRP）。它可以支持多達 200 個節點。盡管標準版本的恢復時間為 500 毫秒，但 Fast HiPER 環聲稱其恢復時間為 60 毫秒，更具競爭力。

　　彈性以太網協議 （REP） 是思科的專有協議，Rockwell Automation 和 Westermo 也在使用。REP 提供快速和可預測的網絡行為，并聲稱恢復時間低至 20 毫秒。REP 有一些局限性，即不是即插即用的，不能自動防止環路。相反，REP 必須經適當配置才能提供這些功能。REP 的工作原理是創建鏈在一起的端口集合——采用稱為網絡段的序列形式。

　　X-ring 是 Advantech 的專有環技術，其聲稱的最快恢復時間可能只有 10 毫秒。這里需要注意的是，X-ring 僅限于有 20 個或更少節點的相對較小的網絡。

　　前面提到的 Red Lion 專有 N-Ring 協議具有 30 毫秒的恢復能力和支持大型網絡的能力——最多可支持 250 個節點。

　　上面列出的速度范圍相當大是有原因的。雖然 TCP 和 UDP 網絡協議的速度略有不同，但工業網絡的拓撲結構和管理協議對網絡速度的影響要大得多。例如，STP 冗余環網絡在 TCP 上的恢復速度為 30 至 90 秒，在 UDP 上的恢復速度為 10 至 50 秒；RSTP 將這些值減少到 1 至 3 秒。網狀網絡的恢復時間甚至更高。相比之下，某些專有的環形網絡在 TCP 上僅需 0. 3 秒就能從鏈路故障中恢復，在 UDP 上僅需 0.2 秒。實際上，一些制造商聲稱其專有環形網絡的恢復時間要好得多，有時甚至在 10 毫秒之內。

　　關于工業自動化中環形拓撲結構總結

　　環形拓撲結構在有線工業自動化網絡中很常見。其低延遲和頂級可靠性通常要輔之以專有方法來防止循環和處理鏈路故障，比傳統的 STP 或 RSTP 更好。