2007年3月，以生產電纜和布線系統著名的BELDEN公司以約2.6億美元的現金價收購了全球領先的工業網絡解決方案提供商HIRSCHMANN，此舉讓業界大大意外：一個原來只在物理層做生意的公司購并了目前工業網絡的領導級公司，這足以讓我們重新關注ISO的最低一層，也是最易讓人忽略的一層——物理層。 由于處于ＯＳＩ的工業以太網的物理層，規定了激活、維持、關閉通信端點之間的機械特性、電氣特性、功能特性以及過程特性，該層為數據鏈路層路層協議提供了一個傳輸數據的物理媒體，這一層因為相對簡單而被忽略。所以本文我們將重點討論工業以太網物理層，針對適應工業環境和系統的要求而采用的一些特殊技術，以及工業網絡未來物理層的變化。 事實上，以太網技術已誕生近三十年，這期間它在最初的半雙工，介質共享的技術基礎之上，已被多次改良優化。尤其是從1994年開始,以太網由于采用了10/100BASE-T技術,使得它從ATM，ＦDDI，TOKEN RING等網絡操作系統大戰中脫穎而出，至今已成為 LAN（ocal Area Network）和WAN（Ｗide Area Network）市場的首選，廣泛商業化的運用又使該項標準成為一個高帶寬、高速度的網絡技術。工業化應用后以太網仍可以被視為一種非常有效的網絡，但前提是在以太網多年演進中積累的諸多技術中選用一組有效技術進行組合應用。 工業網絡的物理層主要包含工業網絡走線（布線）、網絡拓撲結構及帶NIC（網絡控制器）的前端設備。另外對于布線系統中的線纜媒介以及連接器等工業自動化工程師熟悉的細節問題本文不在贅述。，只討論工業網絡走線（布線）、網絡拓撲結構及帶NIC（網絡控制器）的前端設備的工作機制問題。 一、關于工業網絡布線 物理層的布線系統應該包含有線網絡和無線網絡兩種布線系統，這里暫時只對有線工業網絡的布線系統進行描述。 工業以太網物理層的布線與商用網絡最大的區別在于布線對象和布線環境不同．其中關于工業網絡布線環境的問題，研究頗多，這里也不在贅述。 布線對象 商用網關于布線系統在1991年由AT&T（現在AVAYA公司前身）公司給出過很好的定義。 商用布線系統是針對建筑物或建筑群為對象的網絡布線系統。 它既使話音和數據通信設備、交換設備和其它信息管理系統彼此相連，也使這些設備與外部通信網絡相連接。它包括建筑物到外部網絡或電話局線路上的連線點與工作區的話音或數據終端之間的所有電纜及相關聯的布線部件。為按校園布局建造的建筑物或建筑群提供服務的系統既不包括電話局網絡設施，也不包括連接到布線系統的交換裝置，如：專用小交換機、數據分組交換設備或終端設備本身。布線系統由不同系列的部件組成，其中包括：傳輸介質、線路管理硬件、連接器、插座、插頭、適配器、傳輸電子線路、電氣保護設備和支持硬件。這些部件被用來構建各種子系統，它們都有各自的具體用途，不僅易于實施，而且能隨通信需求的改變而平穩過渡到增強型布線技術。一個設計良好的布線系統對其服務的設備有一定的獨立性，并能互連許多不同的通信設備，如數據終端、模擬式和數字式電話機、個人計算機和主機、以及公共系統裝置。 要重視并預測工業以太網的物理層的未來，就應該好好研究一下以太網的物理層系統；要研究以太網的物理層布線系統，就應該從AVAYA的SYSTIMAX PDS系統開始。 SYSTIMAX PDS 系統 建筑物綜合布線系統可以劃分為6個子系統： ＊ 工作區子系統 ＊ 水平布線子系統 ＊ 干線子系統 ＊ 設備間了系統 ＊ 管理子系統 ＊ 建筑群子系統 通信和數據處理系統的各種需求就確定了所需的子系統。從理論上講，大型通信系統可能需要用銅介質和光纖介質部件把全部上述子系統集成在一起。 工作區子系統 工作工布線子系統由終端設備連接到信息插座的連線（或軟線）組成，它包括裝配軟線、連接器和連接所需的擴展軟線，并在終端設備和I/O之間搭橋。在進行終端設備和I/O連接時，可能需要某種傳輸電子裝置，但是這種裝置并不是工作區子系統的一部分。例如，有限距離調制解調器能為終端與其它設備之間的兼容性和傳輸距離的延長提供所需的轉換信號。有限距離調制解調器不需要內部的保護線路，但一般的調制解調器都有內部的保護線路。 水平布線子系統 水平布線子系統是整個布線系統的一部分，它將干線子系統線路延伸到用戶工作區。水平布線子系統與干線子系統的區別的于：水平布線子系統總是處在一個樓層上，并端接在信息插座上。在現有建筑物內， 子系統都由25對線的電纜組成;而SYSTIMAX PDS將上述的電纜數限制為4對UTP（非屏蔽雙絞線），它們能支持大多數現代通信設備。在需要某些寬帶應用時，可以采用光纜。 從用戶工作區的信息插座開始，水平布線子系統在交連處端接;或在小型通信系統里，在以下任何一處進行互連：衛星接線間、干線接線間或設備間。在設備間中，當終端設備位于同一樓層時，水平布線子系統將在布線交連處端接。在上面幾個樓層上，它將在干線接線間或衛星接線間的交叉連接處端接。 管理子系統 管理子系統由交連、互連和I/O組成。管理點為連接其它子系統提供連接手段。交連和互連允許你將通信路定位或重定位到建筑物的不同部分，以便能更容易地管理通信線路。I/O位在用戶工作區和其它房間，使你在移動終端設備時能方便地進行插拔。 在使用跨接線或插入線時，交叉連接允許你將端接在單元一端的電纜上的通信線路連接到端接在單元另一端的電纜上的線路。跨接線是一根很短的單根導線，可將交叉連接處的兩條導線端點連接起來;插入線包含幾根導線，而且每根導線末端均有一個連接器。插入線為重新安排線路提供一種簡易的方法，而且不需要安裝跨接線時使用的專用工具。 互連完成交叉連接的相同目的，但不使用跨接線或插入線，只使用帶插頭的導線、插座和適配器。互連和交叉連接均使用于光纜。光纜交叉連接要求使用光纜的插入線——在兩端都有光連接器的短光纜。 根據布線安排和管理通信線路以適應終端設備的位置變化的需要，在各種不同的交叉連接處可選用插入線。但在中繼線交叉連接處、布線交叉連接處和干線接線間里，通常已安裝好使用插入線的交叉連接硬件。 在衛星接線區，如安裝在墻上的布線區，交叉連接可以不要插入線，因為線路經常是通過跨接線連到I/O上的。在大型布線系統中的上述位置，交叉連接處經常是將干線子系統的大型電纜轉換到連接I/O的小型水平電纜的過渡點。在線路重新布局時，一般不使用這種饋通式（feed、through）交叉連接。 干線子系統 干線子系統是整個建筑物綜合布線系統的一部分。它提供建筑物的干線（饋電線）電纜的路由。它通常是在兩個單元之間，特別是在位于中央點的公共系統設備處，提供多個線路設施。該子系統由所有的布線電纜組成，或者由導線和光纜以及將此光纜連到其它地方的相關支撐硬件組合而成。傳輸介質可能包括一幢多層建筑物的樓層之間垂直布線的內部電纜或從主要單元（如計算機機房或設備間和其它干線接線間）來的電纜。 為了與建筑物的其它建筑物進行通信，干線子系統把設備間的中繼線和布線交叉連接點與建筑物間設施相連，以組成建筑群子系統。 為了提供與外部網絡的通信能力，干線子系統將中繼線交叉連接點和網絡接口（由電話局提供的網絡設施的一部分）連接起來。網絡接口通常放在設備間的近鄰房間。網絡接口為這些設施和建筑物綜合布線系統之間劃定界限。 建筑群子系統 建筑群子系統將一個建筑物中的電纜延伸到建筑群的另外一些建筑筘的通信設備和裝置上。它是整個布線系統中的一部分（包括傳輸介質）并支持提供樓群之間通信設施所需的硬件，其中有導線電纜、光纜和防止電纜的浪涌電壓進入建筑物的電氣保護設備。 設備布線子系統 設備布線子系統由設備間中的電纜、連接器和相關支撐硬件組成，它把公共系統設備的各種不同設備互連起來。該子系統將中繼線交叉連接處和布線交叉連接處與公共系統設備（如PBX）連接起來。該子系統還包括設備間和鄰近單元（如建筑物的入口區）中的導線。這些導線將設備或雷電保護裝置連接到符合美國電氣法規（NEC）的有效建筑物接地點。 工業布線系統 工業以太網的布線系統則是針對工業自動化對象，如FA（工廠自動化）、PA（過程控制自動化）而進行布線的。它與AVAYA定義的布線系統部分相同，也存在明顯的差異。 IOANA在 2003年10月公布的 《規劃及安裝指南》（PLANNING AND Installation Guide）中推薦了EN50173和ISO/IEC11801定義的工業布線系統 其中每個建筑物至少有一個建筑的分線系統BD（Building distributor）所有的BD通過星型拓撲與園區分線系統CD（Compus Distributor）相連。其中CD可視作整個通訊的中樞 ，而BD之間可能由于安全的原因采用冗余。在一個建筑物內，現場級的布線系統FD（Floor Distributor）可布置在不同的樓層，每層可以輻射2000平方米的范圍。有時候由于現場半位在30m左右也可用設備分線系統MD（Machine Distributor）來替換FD的概念。 從兩張圖的比較可以看出，AVAYA的SYSTEM MAX關于商用網的定義是非常詳盡的，六個子系統詳細的含蓋了商用網絡中的物理層布線部分。 EN50173和ISO/IEC11801對于工業以太網物理層布線系統的定義更合適FA和PA。因為就目前工業以太網在工業領域中的應用情況而言，布線系統往往從BD直接就到前端設備。這種情況的出現應該基于以下幾個原因： 1. 自動化領域的相對于通用布線的水平布線子系統部分，目前還相對簡單，無需配線架（PATCH PANNEL）、大對數電纜等設備。 2 .SYSTEMAX的PDS系統是結構化模塊化的布線系統，其目的在于提高建筑物物理層的靈活性和可維護性，而這一點在FA/PA領域目前還不需要。 3. 由于沒有采用管理子系統的系列設備，如配線架、跳線以及墻座等，這樣做也減少了中間環節，使故障率下降，系統更可靠。 但是隨著IP技術在工業領域的滲入，如果現場設備層也大量的采用IP設備（如Sensor Actator等）那么可以預見這兩個布線圖會越來越相似，只不過應用于工業領域的布線設備等級要求會更高，支持移動性方面也會更高。 二、關于工業網絡的拓撲結構問題 拓撲結構是另一個在物理層上要考慮的問題。拓撲結構指的是如何在網絡中走線。點對點的連接是一個工作站和一個集線器的接口的連接，一個集線器和另一個集線器的連接，或一個工作站和另外一個工作站的連接。 關于工業以太網的研究表明， EN50173標準 和ISO/ IEC 11801標準所描述的拓撲結構在完成一些較小的修正后完全可以應用到工業環境中。 而大多數工業現場的用戶都比較熟悉總線型的連接即多個工作站共享一個通用的連接。EIA-485或控制器局域網（CAN） 是這些網絡的很好的例子。 但是，總線拓撲結構在工業以太網中不適合再存在。盡管10BASE2 和10BASE5 確實是總線型的基于同軸線纜的以太網網絡，但由于它們局限于10Mbps的半雙工工作狀態，更由于它們不被包含在新興的商業樓宇的布線標準TIA/EIA-568-A 中，它們的用途在逐漸減少。 基于以上原因，工業以太網的布線多采用星式，即要求連接型集線器或交換型集線器。所以，大家不要再去考慮用總線型的方法去連接傳送系統一類的網絡，盡管其非常簡單。如果要使用工業以太網，就多使用星型、樹型或環型的拓撲結構。 在一個典型的工業環境中，我們可以從整體的角度做出分割，將其中的各個單元做如下的劃分： 1. CD == Campus distributor,即工業園區級節點 2. BD == Building distributor, 即廠房級節點 3. FD == Floor distributor，即車間級節點 4. MD == Machine distributor，即機器（設備）級節點 5. MO == Machine outlet，即設備輸出節點 6. TO == Terminal outlet，即終端輸出節點 在這種分割下，一個典型工業以太網拓撲結構如下圖所示： [align=center] 圖2.3 工業以太網拓撲結構[/align] 對于各個設備輸出節點而言，其以星形連接方式接入設備網絡。而這個接入設備，一般采用交換機。如在Ethernet/IP，HSE，EPA等方案中，均采用了全雙工式交換機＋100Base-TX的拓撲結構。交換機的優勢在于其可通過改變沖突域,以消除網絡沖突的頻繁發生。不過在上游的兩個端口想同時發送數據到下游端口時,其沖突還是會發生的。交換機可將共享的局域網進行有效的網段劃分,使每個用戶盡可能地分享到最大帶寬,可以連接共享的以太網段及不同速度的局域網,其交換技術處在網絡七層模型中的第二層,即數據鏈路層中進行操作,因此常被稱為第二層交換。交換機對數據包的轉發是以以太網的目的介質存取控制（MAC）為基礎的,其端口通過提取每個發送到交換機的數據包的源MAC地址,得到MAC目的地址及與接收該數據包的端口之間的關系后,就得知了端口與MAC目的地址之間的關系，交換機對用戶的可用帶寬的改善作用非常明顯。但由于第二層交換主要依靠MAC地址來傳送幀信息,采用其不斷收集到的資料建立一個地址表,并記錄下每個MAC地址所來自的端口,將每個以太網包從正確的端口加以發送，當一個廣播包到來時,需將其發往交換機的所有端口,對于一個只有交換機構成的網絡極易引發廣播風暴。并且,由于網絡規模的不斷擴大,需要由交換機與路由器結合使用,并出現了一些缺陷,為此出現了第三層，第四層交換技術，這里就不在贅述。 一個典型的使用交換機連接的設備組態如下圖所示： [align=center] 圖2.4 一個典型的交換機連接[/align] 與工業環境相關的另一個拓撲連接的特性是冗余。 在一般商業應用上，以太網的冗余技術并不顯得非常重要。以往的集線器 （Hub），交換機 （Switch） 被很多人使用去連接各種基于以太網的設備（如PC）。集線器接收到來自某一端口的消息，再將消息廣播到其它所有的端口。對來自任一端口的每一條消息，集線器都會把它傳遞到其它的各個端口。而交換機能實現消息從一個端口到另一個端口的路由功能，其可以自動探測每臺網絡設備的網絡速度。借助一種稱為“MAC地址表”的功能，交換機還能識別和記憶網絡中的設備。這種智能避免了消息沖突，提高了傳輸性能，相對集線器是一次巨大的改進。但集線器和交換機這樣的設備在顧及了使用的簡單性和價格優勢之后，也隨之失去了實現諸如冗余功能這樣的高級要求的可能。 隨后發展出的管理型交換機 （Managed Switch）相對于集線器和普通交換機，擁有了更多更復雜的功能，其通常可以通過基于網絡的接口實現完全配置。它可以自動與網絡設備交互，用戶也可以手動配置每個端口的網速和流量控制。 絕大多數管理型交換機還提供一些高級功能，如用于遠程監視和配置的SNMP（簡單網絡管理協議），用于診斷的端口映射，用于網絡設備成組的VLAN（虛擬局域網），用于確保優先級消息通過的優先級排列功能等。 這些新型功能的加入，使得利用管理型交換機，可以組建冗余網絡。使用環形拓撲結構，管理型交換機可以組成環形網絡。每臺管理型交換機能自動判斷最優傳輸路徑和備用路徑，當優先路徑中斷時自動阻斷（block）備用路徑。 而隨著工業網絡對于冗余功能的要求變得突出，出現了專門在冗余方面做出功能擴展的管理型冗余交換機。此類交換機提供了一些特殊的功能，特別是針對有穩定性、安全性方面嚴格要求的冗余系統進行了設計上的優化。 通常構建冗余網絡的方式主要有以下幾種，STP、RSTP； 環路冗余及主干Trunking技術。 1、STP及RSTP STP（Spanning Tree Protocol），是作為一個鏈路層協議（IEEE 802.1D）存在的，提供路徑冗余和阻止網絡循環發生。它做法是強令備用數據路徑為阻塞（blocked）狀態。如果一條路徑有故障，該拓撲結構能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構。網絡中斷恢復時間為30-60s之間。RSTP（快速生成樹算法，IEEE 802.1w）作為STP的升級，將網絡中斷恢復時間，縮短到1-2s。STP網絡結構靈活，但存在恢復速度慢的缺點。在很多的工業環境中并不適用。 2、環路冗余 在STP之后，為了能滿足工業控制網絡實時性強的特點，開始采用環路連接網絡的方式實現冗余快速恢復。采用這種技術可以使網絡在中斷后300ms之內自行恢復。并可以通過交換機的出錯繼電連接、狀態顯示燈和SNMP設置等方法來提醒用戶出現的斷網現象。這些都可以幫助診斷環網什么地方出現斷開。 環路冗余大體可以采用三種方法： ＊ 單機單環冗余。 ＊ 雙機單環冗余。 ＊ 雙機雙環冗余。 雙環的主要優勢在于可以通過雙通道連接，從而避免單個線纜出錯帶來的問題。雙機同樣也可以避免單個設備出錯帶來的問題。 3、主干冗余Trunking技術 這種方式是將不同交換機的多個端口設置為Trunking主干端口，并建立連接，這樣在交換機之間可以形成一個高速的骨干鏈接。不但成倍的提高了骨干鏈接的網絡帶寬，增強了網絡吞吐量，而且還還提供了另外一個功能，即冗余功能。當網絡中的骨干鏈接產生斷線等問題，那么網絡中的數據會通過剩下的鏈接進行傳遞，保證網絡的通訊正常。Trunking主干網絡可以采用總線型和星型網絡結構，理論通訊距離可以無限延長。該技術由于采用了硬件偵測及數據平衡的方法，所以使網絡中斷恢復時間達到了新的高度，一般恢復時間可以達到10ms以下。 由于冗余會明顯加大設備成本，所以采用什么樣的冗余結構應當根據項目工程需要來考慮。 最后一個有關拓撲的問題是連接線長和連接能力的問題。 商用以太網在線長和連接能力方面有著名的5-4-3規則：網絡中可以有5個網段，通過4個中繼器連接，但只有3個網段可以連接計算機。 這些類似的規則在工業以太網的環境中仍然發揮著作用。事實上，在類似于化工等工業車間中，連接線長的問題是非常突出的。在使用以雙絞線為基礎的線纜還是使用光纖的問題上，一個重要的考慮方面就是連接線長的問題。在不使用中繼器的情況下，線纜需要考慮100m內的限制，對于光纖的限制則可以達到千米級的水平。基于物理性質的要求，各大工業以太網方案在線長，和可連接節點數上都做出明確的要求。這方面的工業標準有：ISO/IEC 11801。[15] 下面給出一個典型的車間工業網絡拓撲結構圖： [align=center] 圖2.6一個典型的車間工業網絡拓撲結構[/align] 在以上的內容中，我們分別在三個主要方面對工業以太網物理層的相關問題進行了說明，應該說作為一種以太網的推廣理由，低成本的商用以太網設備可以在工業控制系統中使用。在某些運用中，這些運用是可行的。但工廠環境畢竟有其自的特點，盡管都希望使用商業渠道中可以獲得的以太網芯片和介質，但這些工廠對產品的要求確實與辦公室對這些產品的要求是不同的。這些方面的原因包括一般環境因素，比如高溫，濕度和振動等的影響;物理環境因素，如EMC ，射線輻射等，也有安全因素，如電源，接地等方面。在動輒百萬價值的工業設備上，確實需要有嚴格的設備和環境標準在。下面給出在電纜，連接器等方面的工業自動化開放網絡協會（IAONA）的一個建議標準。[15] [align=center] 表2.4 IAONA的一個建議標準[/align] 三、關于前端設備的工作機制問題 對于商用以太網，千兆甚至萬兆已成為骨干網的選擇，但對于工業以太網似乎有些超前，畢竟工業網絡要求的是穩定和實時，因此100BASE-TX和全雙工機制目前已經成為工業網絡的首選。已經在商業網絡中穩定運行多年的100M的標準帶寬能滿足FA/PA的絕大多數通信要求，全雙工機制又能克服CSMA/CD帶來的網絡傳輸不確定性。 目前市面上還有很多的PLC、PAC、HMI以及嵌入式設備選用10M半雙工傳輸機制，含這種機制的NIC前端設備很可能會和與其相連的網絡二層、三層設備不盡兼容（電口10/100M自適應兼容,但光口只有100M全雙工不兼容）存在數據傳輸的不確定性隱患。 （收發器、光交換機圖片由TSC卓越北京公司提供 ） 如上圖，收發器和交換機的光口級連，雙方均是100M全雙工，而電口是10M/100M，全雙工/半雙工自適應。 四、小結 綜上所述，由于BELDEN公司收購了全球領先的工業網絡解決方案提供商 HIRSCHMANN公司，讓我們開始關注工業網絡中最容易被忽略的一層——————物理層，我們探討了的幾個問題：工業以太網的布線、網絡拓撲結構和網絡傳輸機制。簡單的分析可以得出如下結論： 1．目前工業以太網的布線系統的的確確處于原始的初級階段。隨著IP技術在工業領域的不斷滲入，現場設備層也大量的采用IP地址尋址（如傳感器 、傳動設備等）那么可以預見應用于工業領域的布線系統及設備會一改目前“纜+頭”的連接模式，會變得更復雜、更靈活，防護等級會更高，支持移動性方面也會更高。這里面會蘊藏大量商機。 2．如果不考慮無線網絡系統，目前工業以太網的拓撲結構主要還是星型和環型，基于安全可靠方面的考慮，冗余雙星型和冗余雙環型是主流網絡拓撲，而環型似乎更受到自動化用戶的青睞。 3．由于工業網絡傳輸數據量并不是很大，但要求實時可靠的特點，100BASE-TX、全雙工應是目前和將來很長一段時間工業網絡設計的主流傳輸機制。采用10BASE-T和半雙工傳輸機制將會為將來的系統兼容性帶來麻煩。