優(yōu)勢 1 -冗余和可用性

　　工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵設(shè)計元素是物理級的冗余。在電纜或設(shè)備發(fā)生故障的情況下，擁有第二或第三條鏈路進(jìn)行流量故障切換，對于網(wǎng)絡(luò)來說至關(guān)重要。即插即用的第2層非托管以太網(wǎng)交換機(jī)，如果電纜未正確連接，則可能會發(fā)生數(shù)據(jù)環(huán)路，這可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。第2層托管交換機(jī)利用IEEE 802.1D生成樹協(xié)議（STP），該協(xié)議允許對交換機(jī)進(jìn)行冗余連接，以確保網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行時間和可用性。

　　生成樹的工作方式是，給網(wǎng)絡(luò)中的一臺交換機(jī)分配一個待機(jī)模式的端口，在該端口中，它不會發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，直至網(wǎng)絡(luò)中的另一條鏈路發(fā)生斷路或中斷為止。發(fā)生中斷時，交換機(jī)上的備用端口將變?yōu)榛顒訝顟B(tài)，允許流量在網(wǎng)絡(luò)上流動。傳統(tǒng)生成樹協(xié)議（STP）的缺點(diǎn)在于，它可能需要60秒才能響應(yīng)電纜斷路或中斷引起的拓?fù)渥兓?。對于微秒計的關(guān)鍵過程或制造應(yīng)用來說，這個時間太長了。

　　在上圖中，紅色的鏈接被設(shè)置為待機(jī)模式，除非其中一個鏈接發(fā)生中斷或故障，否則不會傳輸數(shù)據(jù)包。這表示基本的生成樹操作，在該操作中無需創(chuàng)建數(shù)據(jù)循環(huán)即可實(shí)現(xiàn)鏈路冗余。

　　電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）在2001年推出了802.1w快速生成樹協(xié)議（RSTP）?？焖偕蓸鋮f(xié)議（RSTP）在6秒內(nèi)（默認(rèn)）具有明顯更快的拓?fù)渥兓瘷z測和恢復(fù)。盡管快速生成樹協(xié)議（RSTP）的恢復(fù)時間比生成樹協(xié)議（STP）好得多，但對于某些關(guān)鍵的工業(yè)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，恢復(fù)時間仍然太長。

　　許多工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)制造商提供專有的快速振鈴技術(shù)，可以在幾微秒內(nèi)解決振鈴中斷的問題。其中包括EtherWAN系統(tǒng)的α-Ring技術(shù)，具有不到15毫秒的快速故障轉(zhuǎn)移恢復(fù)時間以及格雷特（GarrettCom）的S-Ring和赫思曼（Hirschmann）的HiPER Ring協(xié)議。

　　此外，當(dāng)今大多數(shù)工業(yè)交換機(jī)制造商都可以通過為交換機(jī)提供雙電源輸入來實(shí)現(xiàn)硬件冗余。

　　如果電源出現(xiàn)故障或發(fā)生其他電源中斷，交換機(jī)自動將故障轉(zhuǎn)移到備用電源，從而保持網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。此外，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的設(shè)計未使用冷卻風(fēng)扇或任何其他可能會由于過熱而發(fā)生故障并導(dǎo)致交換機(jī)停止工作的活動部件。交換機(jī)通常使用一個大的散熱器來捕獲和散發(fā)熱量。在某些情況下，交換機(jī)實(shí)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(xié)議（RSTP）或?qū)Ｓ械沫h(huán)形體系結(jié)構(gòu)以及固有的硬件冗余，可以實(shí)現(xiàn)99.999％的網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時間，這一直是每個網(wǎng)絡(luò)管理員的目標(biāo)。

　　優(yōu)勢 2 -網(wǎng)絡(luò)管理

　　與非托管交換機(jī)相比，托管型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)具有許多優(yōu)勢。托管型以太網(wǎng)交換機(jī)利用簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP），而SNMP可用于監(jiān)視和控制個人電腦網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備。簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）是基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，幾乎可以與每個托管型以太網(wǎng)設(shè)備一同使用。

　　通過動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP）服務(wù)器，可以多次為托管型交換機(jī)手動或自動地分配一個IP地址。使用簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP），可以為網(wǎng)絡(luò)上具有IP地址的每個設(shè)備建立映射。通常情況下，這些設(shè)備包括交換機(jī)、路由器、服務(wù)器、個人電腦、打印機(jī)，在工業(yè)領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）允許您執(zhí)行以下操作，例如禁用交換機(jī)端口，收集有關(guān)數(shù)據(jù)包進(jìn)出端口的統(tǒng)計信息，在達(dá)到特定閾值或操作時設(shè)置警報等。

　　使用中央簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）管理站，網(wǎng)絡(luò)管理員可以查看整個網(wǎng)絡(luò)、發(fā)現(xiàn)問題并立即解決這些問題，從而確保網(wǎng)絡(luò)的其余部分保持正常運(yùn)行。此外，通過監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，問題可以在問題發(fā)生之前實(shí)時得到解決。

　　現(xiàn)在，許多供應(yīng)商都提供簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）管理軟件，例如遠(yuǎn)景網(wǎng)絡(luò)（Network Vision）的IntraVUE、思科系統(tǒng)的思科設(shè)備管理器、赫思曼（Hirschmann）的HiVision和西門子的SINEMA服務(wù)器以及SNMP-OPC服務(wù)器。

　　優(yōu)勢 3 -安全性

　　與當(dāng)今的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)一樣，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)也需要最高級別的安全性，以阻止網(wǎng)絡(luò)恐怖分子、惡意員工和互聯(lián)網(wǎng)黑客訪問和破壞敏感、往往是關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)操作。

　　工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)管理員可以定義允許哪些MAC或IP地址訪問交換機(jī)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(zhuǎn)發(fā)任何數(shù)據(jù)包。如前所述，802.1Q VLAN還提供一個安全層，因?yàn)橹挥蠽LAN中的節(jié)點(diǎn)才能相互通信。在某些情況下，當(dāng)必須共享某些資源時，可以使用重疊的VLAN。

　　在某些工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)中發(fā)現(xiàn)的另一個安全功能是802.1X，它是電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）的端口級網(wǎng)絡(luò)訪問控制（NAC）標(biāo)準(zhǔn)。802.1X定義了以太網(wǎng)上可擴(kuò)展的身份驗(yàn)證協(xié)議（EAP）的封裝。主機(jī)或請求方使用身份驗(yàn)證協(xié)議（EAP）向身份驗(yàn)證器（通常是以太網(wǎng)交換機(jī)）發(fā)送請求。之后，身份驗(yàn)證器封裝EAP數(shù)據(jù)包，并將其發(fā)送到運(yùn)行遠(yuǎn)程驗(yàn)證訪問撥入用戶服務(wù)（RADIUS）的身份驗(yàn)證服務(wù)器。

　　遠(yuǎn)程驗(yàn)證訪問撥入用戶服務(wù)（RADIUS）是一種協(xié)議，它提供了一種對試圖訪問網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中身份驗(yàn)證、授權(quán)和解釋的方法。

　　身份驗(yàn)證服務(wù)器不直接與請求方聯(lián)系，只將信息傳遞回具有高安全級別的身份驗(yàn)證器。身份驗(yàn)證服務(wù)器將基于預(yù)定義的訪問規(guī)則，拒絕或授予用戶進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的請求。

　　通過利用上述一個或多個安全選項(xiàng)，可以確保只有指定的用戶才能訪問您的網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵資源。

　　優(yōu)勢 4 -可擴(kuò)展性

　　通過利用交換式以太網(wǎng)的對等連接模型以及子網(wǎng)或VLAN之間的第2層VLAN和第3層路由，以太網(wǎng)已被證明是一種極度可擴(kuò)展的技術(shù)。即使將更多節(jié)點(diǎn)添加到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，也可以通過使用多播管理協(xié)議對用戶組（VLAN）進(jìn)行分段，為某些數(shù)據(jù)包分配優(yōu)先級并進(jìn)行路由來避免擁塞和流量問題。

　　此外，更高帶寬的以太網(wǎng)技術(shù)，例如千兆位和10千兆位以太網(wǎng)，有助于緩解在服務(wù)器和路由器等高使用率設(shè)備之間使用網(wǎng)絡(luò)時的網(wǎng)絡(luò)擁塞和網(wǎng)絡(luò)速度降低的問題。

　　優(yōu)勢 5 -與傳統(tǒng)系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)集成

　　由于以太網(wǎng)在開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型的第2層上運(yùn)行，因此它嚴(yán)格地處理數(shù)據(jù)包的尋址、傳遞和錯誤控制。以太網(wǎng)幀中包含的消息由更高級別的第3層和第4層協(xié)議控制。當(dāng)今，以太網(wǎng)中最常用的通信協(xié)議是傳輸控制協(xié)議/ 網(wǎng)際協(xié)議或TCP/IP。

　　TCP/IP數(shù)據(jù)包的優(yōu)點(diǎn)是可以將其他協(xié)議封裝在TCP/IP數(shù)據(jù)包中。例如，已在自動機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用多年的Modbus網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在可使用TCP/IP封裝與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)集成。通過使用以太網(wǎng)到Modbus網(wǎng)關(guān)，可以保護(hù)您對舊系統(tǒng)的投資，同時向網(wǎng)絡(luò)中添加新的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備。

　　將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是允許傳統(tǒng)上基于以太網(wǎng)的業(yè)務(wù)和運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)訪問流程或制造網(wǎng)絡(luò)，以收集業(yè)務(wù)計劃中使用的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，例如生產(chǎn)率、浪費(fèi)、材料使用和生產(chǎn)能力。

　　優(yōu)勢 6 -物理差異

　　工業(yè)以太網(wǎng)硬件能夠經(jīng)受制造、流程應(yīng)用和工廠自動化中的惡劣環(huán)境。

　　工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)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(xué)和氣體的暴露。另外，由于這些設(shè)備用在無法容忍任何停機(jī)時間冗余功能的網(wǎng)絡(luò)中，例如經(jīng)常使用雙電源連接。一些交換機(jī)利用干接點(diǎn)來設(shè)置各種警報，以警告操作員發(fā)生故障。這些功能通常無法在商業(yè)級設(shè)備上找到。工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備不使用風(fēng)扇進(jìn)行冷卻或者其他可能會發(fā)生故障的移動部件，并且降低了設(shè)備的平均故障間隔時間（MTBF）。該設(shè)備外殼經(jīng)常用作散熱器，以消散運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱量。

　　當(dāng)用于爆炸性環(huán)境（如煉油廠應(yīng)用）時，某些交換機(jī)可提供用于爆炸性環(huán)境的UL Class 1 Div 2等級。Class 1 Div 2標(biāo)識確保不會有火花從設(shè)備散發(fā)到外部大氣。

　　許多工業(yè)交換機(jī)制造商都提供了特殊的保形涂層，該涂層可應(yīng)用于設(shè)備的整個印制電路板（PCB）。保形涂料用于非常潮濕的環(huán)境和溫度波動的環(huán)境。涂層可防止水分進(jìn)入印制電路板（PCB），導(dǎo)致短路或設(shè)備故障。

　　工業(yè)額定設(shè)備中的另一個功能是極限工作溫度范圍。由于工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、轉(zhuǎn)換器和路由器通常位于不受控制的環(huán)境中，因此它們必須能夠承受極高和極低的溫度。在設(shè)計工業(yè)額定設(shè)備時，與商用設(shè)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(yè)額定通信設(shè)備的成本通常比同類商業(yè)產(chǎn)品更高。通過將冗余功能與高質(zhì)量組件相結(jié)合，工業(yè)額定設(shè)備能夠承受最極端的環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)外的無縫通信。

　　左圖詳細(xì)介紹了用作設(shè)備散熱器的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)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(shè)備的干接點(diǎn)。

　　以太網(wǎng)作為一種辦公室/商業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，已經(jīng)在世界各地的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛應(yīng)用。通過利用VLAN、優(yōu)先級隊(duì)列、快速生成樹和簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）網(wǎng)絡(luò)管理等以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)變得更加安全、強(qiáng)大和易于管理。

　　此外，以太網(wǎng)作為一種開放的標(biāo)準(zhǔn)，得到了數(shù)百家設(shè)備制造商的支持，實(shí)現(xiàn)了不同供應(yīng)商產(chǎn)品之間的互操作性以及具有競爭力的價格。利用以太網(wǎng)還可以通過使用以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備橋接兩個網(wǎng)絡(luò)，將其集成到Modbus等現(xiàn)有工業(yè)技術(shù)中，從而確保對傳統(tǒng)技術(shù)投資的保護(hù)。

　　具有如此眾多的好處和優(yōu)勢，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)將一直發(fā)展下去。