工业以太网应用过程中问题探讨

摘要：  与早已被人们熟识的办公和家用以太网不同，工业以太网需要更多专业的知识和实践经验。如果你正在安装或者使用一种工业以太网，那么关于布线、信号质量、接地回路、交换机和通讯这五点内容必须要了解。

关键字：  电缆，  工业以太网，  交换机

与早已被人们熟识的办公和家用以太网不同，工业以太网需要更多专业的知识和实践经验。如果你正在安装或者使用一种工业以太网，那么关于布线、信号质量、接地回路、交换机和通讯这五点内容必须要了解。

和所有网络一样，电缆的优劣直接影响工业以太网的优劣。而且除了高电磁干扰(EMI)，工业环境中还经常有某种等级的温度、粉尘、湿度以及其他在家庭和办公环境中不常见的影响因素。

所以，如何选择电缆?在办公室内，商业等级的电缆，例如5类电缆，比较适合于10MB的网络，而5e类电缆适合于100MB网络。根据ANSI/TIA-1005标准所述，6类电缆或者更好的电缆可以用于工业环境中的主机或者设备连接。6类电缆能够在100米的范围内实现1GB网络，55米范围内实现10GB网络。6e类电缆可以在100米范围内实现10GB网络。

相比于5类电缆和5e类电缆，6类电缆不易受串扰和外部EMI噪声影响。工业以太网电缆的设计能够抵御更加严酷的工业环境对电缆的物理侵蚀。在安装6类电缆时，确保RJ45接口和插座也能够达到6类等级。最好的使用方法是，短距离布线时，使用预先做好的接插电缆，并在工厂内安装连接器。长距离布线时使用插座。

一些应用场合需要做屏蔽，但是如果屏蔽电缆安装不当，那么会适得其反。

当超出保护套管时，屏蔽以太网电缆在EMI环境中的性能更好。良好的接地是使用屏蔽电缆的关键。一个接地参考点是关键中的关键。多个接地连接会形成接地回路，不同接地连接处电势的不同会在电缆中引入噪声。

接地回路会给你的网络带来巨大的破坏，为了解决这个问题，只在电缆的一端使用接地RJ45接口，另一端使用绝缘的RJ45接口以消除接地回路的可能性。

如果以太网电缆与电源电缆交叉布线，那么交叉角度颇有讲究。将并列的以太网电缆和电源电缆相隔至少8到12英寸，如果电压较高或者并列距离较长，那么这个间隔距离应该更大。如果以太网电缆在金属沟槽或者套管内走线，那么相邻的沟槽或者套管必须连接在一起以实现电气连续性。

大体来讲，以太网电缆尽量远离能够产生EMI的设备，例如电机、电机控制设备、照明设备、带电导体等。在面板上，以太网电缆与连接器间隔至少2英寸。当电缆远离EMI干扰源时，遵循推荐的电缆弯曲半径。

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简单地说，工业以太网环境中不要使用集线器。集线器只不过是一个多端口的中继器。如果集线器被排除在外的话，剩下的选择就只有管理型交换机和非管理型交换机了。管理型的交换机更好，当然它的价格也比非管理型的交换机要贵。

网络上的每一台设备都有一个独一无二的标识符，就是我们所说的MAC地址，这是交换机比集线器具有更优秀的识别能力的关键。当交换机刚刚上电的时候，它最初的表现和集线器没有区别，将所有的通讯内容都广播出去，但随着网络上的设备将信息在交换机的不同端口上传输，交换机开始监控通讯内容，识别出哪一个MAC地址与哪一个端口相关，然后在MAC地址表中做出标识。一旦交换机发现设备的MAC地址与某个特定的端口相连接，它就会监控指向那个MAC地址的信息，然后将这些信息仅仅发送给那个特定的地址。

工业以太网网络有三种通讯类型。点对点的单播通讯、一对多的组播通讯和一点到所有节点的广播通讯。

当交换机的MAC地址表建立完成之后，管理型交换机和非管理型交换机对单播通讯和广播通讯的处理方式没有什么不同。一般来说，在100MB的带宽下，将广播频度控制在每秒钟100个广播。对于任何网络来说，都会或多或少地存在广播通讯。一个例子就是打印服务器会周期性地在网络上给出广播通知。

管理型交换机和非管理型交换机的一个主要的区别就在于它们对待组播通讯的处理方式。组播通讯通常来自于搭载在工厂过程网络上的智能设备，采用面向连接的基于生产厂商/用户模型的技术。这种情况下的连接仅仅是网络上两个或者多个节点之间的关系。

要想能够接收组内信息，设备必须加入组播通讯小组，组内所有的成员都能够接收到数据。如果仅仅是向小组发送数据，那么你无需成为小组成员。在生产厂商/用户模型中，组播通讯的主要问题就是随着小组成员数量的增加，通讯信息呈指数地增长。此时，就需要使用管理型的交换机了。

管理型交换机能够打开互联网组管理协议(IGMP)窥探功能。它是这样工作的，当IGMP窥探功能打开后，它会发出广播通讯以判断任何组播小组内的成员。使用这些信息，加上已经建好的MAC地址表，管理型交换机就能够将组播通讯仅仅发送给组播小组内的成员。非管理型的交换机对组播数据和广播数据的处理方式一样，都是将数据发送给每一个节点。

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如果网络使用了生产厂商/用户技术或者使用了组播通讯，那么管理型交换机是物有所值的不二之选。

考虑使用管理型交换机还有很多其他原因，这种等级的交换机通常都提供故障日志功能，能够控制每个端口的速度，具有冗余设置以及端口镜像功能。这些额外能力能够保证对网络行为进行更加精确的控制，而且在故障排查的时候能起到非常宝贵的作用。我们知道，对于网络上的某些节点，故障是无法避免的。

当网络性能出现问题时，首先就要检查交换机，虽然对于大多数网络性能问题来说，交换机很少是问题的核心。交换机是系统中最可能发生问题的节点，它的工作速率通常是其他网络部件工作速率的10到50倍。

虽然总有一种很好的软件能够帮助你对网络故障问题进行排查，但是大多数这种软件仅仅能看到广播通讯和组播通讯。这实际上很合理，因为很多性能问题通常都源自不受限的组播通讯或者过多的广播通讯。如果你出于某种原因需要检查单播通讯，那么端口镜像是唯一的途径。

如果网络上没有组播通讯的话，那么使用非管理型的交换机也没什么问题。在只搭载了很少设备的小型简单网络上，很多人使用非管理型的交换机。有时候也可以将这两种类型的交换机结合使用，将一些远程设备搭载在非管理型的交换机上，统一向管理型的交换机反馈。对于那些节点数量很多的网络，如果成本不是一个关键因素，那么还是选择管理型的交换机吧，事后想来这确实是一个明智的选择。