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1、Industrial VS Office EthernetContents以太网历史一些统计数字结构化布线交换机的物理特性拓扑结构和冗余带宽组播因素VLANs 虚拟局域网优先级区别服务故障设备的替换网络管理结论Definition“只有一个以太网”什么是工业以太网?将以太网技术用于工业领域将以太网和TCP/IP作为工业通讯技术和协议History1973 First Ethernet Xerox PARC 2.94Mb/s1975 First US patent Xerox1980 Ethernet v1 Digital, Intel, Xerox 10Mb/s1982 Ethernet v2
2、 Digital, Intel, Xerox1985 IEEE 802.31989 ISO Standard 880231990 10BaseT (twisted pair)1994 10BaseF (fibre)1995 100BaseT/F 100Mb/s1997 Full Duplex1998 1000Mb/s2005 Power Over Ethernet2006 10 Gb/s 40 / 100 Gb/sCommunication Trend in Industrial EnvironmentsField LevelManagement LevelCorporate LevelInt
3、erbus LoopASIInterbusSeriplexProfibus DPProfibus FMSCANCCLinkControlNetDeviceNetSDSWorldFIP / FIPLonWorksETHERNETIEC/SP50 H1IEC/SP50H2HARTProfibus PAProcess Measurement and Control Level工工业通通讯为什么什么选择以太网以太网?以太网是开放的标准.以太网使网络的垂直集成成为可能.对比现场总线，以太网提供了更大的通讯带宽以满足多应用集成的需求主要的以现场总线为工业通信技术的制造商转而投奔各自基于标准以太网的工业:D
4、eltaV （Emerson）Modbus/TCP （Modbus）EtherNet/IP （ControlNet DeviceNet）ProfiNet （Profibus)FF HSE （Foundation Fieldbus）PowerLink (CAN Open）Aspects of Industrial Ethernet工业以太网和商用以太网区别所在：Environment环境Operation 运行Maintenance 维护Management 管理一些一些统计数字数字Source: Datacom, Network Management Special Around two th
5、irds of all failures are caused by faults in network components Investing in operational safety pays PhysicalData LinkNetworkTransportSessionPresentationApplication8 %10 %35 %25 %12 %7 %3 %Application programsNetwork operating systemNetwork componentsHardware 17% Software 7% Support 73% Miscellaneou
6、s 3% Total Cost of Ownership of a Network over 5 years Source: Gartner Group 结构化布构化布线结构化布构化布线的好的好处简化设计产品可选择余地大兼容性好增加可靠性易于维护结构化布构化布线标准准ISO/IEC 11801EN50173ANSI/TIA/EIA 568-B术语CD = Campus DistributorBD = Building Distributor FD = Floor DistributorMD = Machine Distributor (new: Intermediate Distributor
7、 (ID) TO = Telecommunication OutletCP = Consolidation PointCabling Structure Office Industry Office building BD CD BD FD TO TO Primary cabling Secondary cabling Tertiary cabling Production hall FD TO MD TO MD TO TO MD BD Layer 1 Layer 2 (Layer 3) Layer 4 CP TO Physical Cabling Structure Office: Indu
8、stry (3 or 4 layers): FO (500) E9.10/125 or G50(62,5)/125 FO(500m) E9.10/125 or G50(62,5)/125 CD BD FD TO CD BD FD MDFO (1500m) E9.10/125 G50(62,5)/125 FO (500m) E9.10/125 G50(62,5)/125 TP (90m+2*5m) FO G50(62,5)/125 TP (90m+2*5m) FO G50(62,5)/125 Bus cable TP HCS/POF Transmission media FO (1500m) E
9、9.10/125 G50(62,5)/125 Users Range TP TO Machine CP Primary Secondary Tertiary Choosing Fiber多模光纤还是单模光纤?多模光纤距离短不同的线径单模光纤距离远Choosing Twisted PairWhat is Twisted Pair Cable?双绞线缆采用绞和的方式以避免线缆之间的串扰非屏蔽双绞线半屏蔽双绞线全屏蔽双绞线Cat5e？Cat6？单芯线？多芯线？Other Considerations可能降低线缆性能甚至是破环线缆的原因Abrasion（磨损）Bending（弯曲）Impact（碰撞）
10、Tension / Stretching（拉伸）Crushing（挤压）Cutting（切断）High or low temperature（高低温）Contact with oil（油污）Exposure to UV light（暴露在紫外线照射下）Immersion in water（浸水）连接器接器The issues灰尘 / 水振动双绞线“Industrialized” RJ45M12光纤M12 - MicroFX自适自适应 / 自自动交叉交叉自适应速度双工模式IEEE802.1x流量控制双方都自适应才能自适应自动交叉MDI, MDI-X自动校准发送和接受线对一般必须在自适应功能开启情
11、况下使用（赫思曼交换机则可以单独开启）Patch cable 1:1 12364578PIN PIN 12364578Crossover cable PIN PIN 1234567812345678交交换机的物理特性机的物理特性Physical Characteristics没有“标准的”工业以太网交换机物理特性需与PLC保持一致网络设备不能成为最薄弱的环节CertificationsMarineSubstationTransportationATEX Zone 2环境因素境因素安装方式（DIN or Rack）外形尺寸？固定式还是模块化？工作输入电压范围工作温度范围无风扇散热振动抗电磁干扰性
12、能保护等级（IP20 IP67)电路板保护涂层Comparison - PhysicalOfficeIndustrial安装和连接安装和连接使用寿命使用寿命工作环境工作环境 专用网络机柜内 连接标准的台式机工作站打印机等 现场安装（控制柜内或直接安装于自动化设备上，环境恶劣，某些场合甚至要求满足IP67防护等级） 连接离散的控制设备和I/O 几年或十几年（没有相应标准可遵循） 风扇散热 备件更换：3年 电源(220VAC) MTBF20年以上（基于MIL-HDBK217F），有些甚至长达100年以上 无风扇散热 备件更换：10年 冗余的电源(24/48VDC，110/220VAC等) 良好（机
13、房恒温，恒湿） 无振动、冲击 无重机械负载、无化学物质腐蚀 较低的抗电磁干扰能力 普通或宽温(-40- +70/+85) 有具体的抗振动、抗冲击要求 牢固的重机械负载设计、防某些 化学物质腐蚀 较强的抗电磁干扰能力工业认证工业认证 EN60950 FCC Part 15 Class A EN55022 Cul508/1604 Class 1 Div 2 IEC61850-3 IEEE1613、KEMA EN50121、EN50155、ATEX Zone 1&2可用性可用性产品可用性产品生命周期替代产品延续性Before and After拓扑拓扑结构和冗余构和冗余Network Topolog
14、ies 总线型型Network Topologies 星型星型Network Topologies 树型型Network Topologies 带有冗余有冗余结构的构的树形形(Rapid) Spanning Tree （快速）生成（快速）生成树优点标准化向下兼容 (STP)可以组建混合型网络结构Network Topologies 环型型HIRSCHMANNHIRSCHMANNNNAMHCSRI HNNAMHCSRI HNNAMHCSRI H改改进的的环形形环形不一定需要头尾顺序连接通过合理的设计以避免延时并提供冗余性HIPER Ring优点配置简单恢复速度快恢复性能可靠一致降低线缆需求拓扑清
15、晰缺点非标准化但是MRPMedia Redundancy Protocol（介质冗余协议）IEC 62439 (标准化的工业环网冗余协议)应用案例用案例 地地铁Multicasting (多播通信多播通信)消息消息类型型Unicast（单播） 目的地终端唯一Broadcast（广播） - 子网中的所有终端Multicast（组播） - 一组终端为什么使用什么使用组播播?可以在不增加发送源负担的条件下发送数据给多个接收方节省带宽资源实时性好组播的播的应用用场合合?一般应用Video Conferencing（视频会议）Video Surveillance（视频监控）Software Distri
16、bution（软件分发如病毒库更新等）工业应用Producer / Consumer （生产者/消费者）Publisher / Subscriber （发布者/订阅者）And the issue is?以太网在设计之初不支持多播以太网将多播以广播看待意味着每台终端设备都将接收到多播数据因此要有个特殊技术可以处理多播数据 （IGMP Snooping/querier）赫思曼的二层交换机同时支持IGMP Snooping和QuerierHIRSCHMANNVLAN （虚（虚拟局域网）局域网）Physical LANVirtual LANsMultiple VLANs per SwitchHIRSC
17、HMANNHIRSCHMANN交叉交叉VLAN二层环境下实现更复杂的访问控制要求不是所有的二层交换机都支持该功能（赫思曼的所有二层交换机均支持该功能）VLAN TypesVLANs layer 1:基于端口 (IEEE 802.1Q)VLANs layer 2:基于MAC地址VLANs layer 3:基于网络地址或协议 (IEEE 802.1v)VLANs layer 4-7: 基于应用 futurePrioritization （ （优先先级区分）区分）优先先级(服服务质量量) Program Updates VoiceControlOther6531ControlVoiceProgram
18、 UpdatesOtherPriority故障设备替换故障设备替换工工业以太网以太网 - 达到的目达到的目标标准化的故障设备更换方法.故障设备的更换必须尽可能简单、快捷.维护人员需了解的设备知识越少越好. 可可选择的方法的方法Manual configuration using a serial cable (RS232).Manual configuration via the Ethernet port using special protocolsAutomatic configuration using DHCPProprietary Methods一种外部的可存储交换机配置信息和固件
19、的硬件可插拔外部存可插拔外部存储设备 ACA21-USB优点故障设备替换无需专业知识降低出错的风险DHCP Option 82优点无需专业知识所需硬件开销较小开放的手段Switch with Option 82 HIRSCHMANNHIRSCHMANN12345Replacement deviceOption 82 Server 地址冲突地址冲突检测重复的IP地址摧毁现有的通讯在加入网络前必须确认IP地址分配192.168.0.54192.168.0.54NNAMHCSRI HNNAMHCSRI HNNAMHCSRI H结论每种方法都有优缺点.考虑的因素有:投入.配置的复杂性.故障设备替换是否
20、方便.网络设计时必须考虑故障设备更换网络管理网络管理可网管可网管 vs 非网管交非网管交换机机非网管交换机价格低维护简便即插即用没有安全性可网管交换机需要更复杂的网络配置提供了很多高级功能保证网络高可靠性故障查找方便我我们为什么需要网什么需要网络管理管理?NetworkNetworkISO 网网络管理分管理分类1.配置管理2.性能管理3.故障管理4.安全管理5.记账管理ConfigurationSupervision配置管理配置管理Redundancy（冗余）Port status（端口状态）Flow control（流量控制）VLANsPrioritisation（优先级/服务质量）Cloc
21、k synchronisation (SNTP / PTP)（时间同步）Configuration management（功能配置）监控管理控管理Network overview（网络状态浏览）Localising faults（错误发现）Avoiding faults and breakdowns（错误避免）Simple Network Management Protocol - 简单网网络管理管理协议隶属于TCP/IP协议家族可支持的设备有:Hubs （集线器）Switches （交换机）Routers （路由器）Servers （服务器）标准化的协议供应商普遍支持历史史SNMP v1 1
22、988Stop-gap solutionDue to be replaced by Common Management Information ProtocolSNMP v2a 1993Additional commands带有安全性SNMP v2c - 1996和v2a类似，但没有安全性SNMP v3 - 2002带有安全性网管通网管通讯: 管理者和管理代理管理者和管理代理MIBManagement Information Base （管理信息库）NMSNetwork Management Station （网络管理站）SNMPSimple Network Management Protoc
23、ol （简单网络管理协议）AGENTMIBWorkstationAGENTMIBRouterAGENTMIBSwitchAGENTMIBHubMIBAGENTMANAGERNMSSNMP链路路发现协议802.1AB网络设备发送自己的硬件信息给其它互联的网络设备同时存储它发现到的其它网络设备的硬件信息主要用于:自动拓扑发现故障查找（赫思曼的交换机支持通过LLDP实现互联交换机间配置的自动检查，如自适应问题、VLAN配置错误等等）Office vs Industrial Network Management区区别在哪里在哪里?SNMP将一直用于从以太网设备端收集信息But自动化网络中的操作员期望使
24、用熟悉的工具来管理工业网络还有哪些选择?OPC以太网交换机并不包含 OPC 服务器因此一个从SNMP to OPC的网管是必须的ActiveX将一个ActiveX控件插入到一个SCADA应用程序中ActiveX空间用于从网络管理服务器端读取信息Network Management ServerNetwork Management ClientSCADA Server with ActiveX Control Client结结 论论结论What are the differences between Office and Industrial Ethernet?Cabling （结构化布线）Network device physical characteristics（网络设备的物理特性）Topology（拓扑结构）Redundancy（冗余和性能）Traffic management（流量管理）Device replacement（故障设备替换）Network management（网络管理）ETHERNETSWITCHESTRANSCEIVERROUTERSCABLE
