办公以太网和工业以太网的区别

1、Industrial VS Office Ethernet,Contents,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,History,1973 First Ethernet Xerox PARC 2.94Mb/s 1975 First US patent Xerox 1980 Ethernet v1 Digital, Intel, Xerox

2、10Mb/s 1982 Ethernet v2 Digital, Intel, Xerox 1985 IEEE 802.3 1989 ISO Standard 88023 1990 10BaseT (twisted pair) 1994 10BaseF (fibre) 1995 100BaseT/F 100Mb/s 1997 Full Duplex 1998 1000Mb/s 2005 Power Over Ethernet 2006 10 Gb/s 40 / 100 Gb/s,Communication Trend in Industrial Environments,Field Level

3、,Management Level,Corporate Level,Process Measurement and Control Level,工业通讯为什么选择以太网?,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: DeltaV （Emerson） Modbus/TCP （Modbus） EtherNet/IP （ControlNet DeviceNet） ProfiNet （Profibus) FF HSE （Foundation Fieldb

4、us） 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,一些统计数字,Source: Datacom, Network Management Special,Around two thirds of all failures are caused by faults in network components,Investing in operational safety pays,Physic

5、al,Data Link,Network,Transport,Session,Presentation,Application,8 %,10 %,35 %,25 %,12 %,7 %,3 %,Application programs,Network operating system,Network components,Total Cost of Ownership of a Network over 5 years,Source: Gartner Group,结构化布线,结构化布线的好处,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,结构化布线标准,ISO/IEC 11801,

6、EN50173,ANSI/TIA/EIA 568-B,术语,CD = Campus Distributor BD = Building Distributor FD = Floor Distributor MD = Machine Distributor (new: Intermediate Distributor (ID) TO = Telecommunication Outlet CP = Consolidation Point,Cabling Structure Office Industry,Office building,Primary cabling,Secondary cabli

7、ng,Tertiary cabling,Production hall,Layer 1 Layer 2 (Layer 3) Layer 4,CP,Physical Cabling Structure,Office: Industry (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,MD,FO (1500m) E9.10/125 G50(62,5)/125,FO (500m) E9.10/125 G50(62,5)/125,T

8、P (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) E9.10/125 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 Pair,What is Twisted Pair Cable? 双绞线缆采用绞

9、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） 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,The is

10、sues 灰尘 / 水 振动 双绞线 “Industrialized” RJ45 M12 光纤 M12 - MicroFX,自适应 / 自动交叉,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况下使用（赫思曼交换机则可以单独开启）,交换机的物理特性,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,Certifications,Marine Substation Transportation

11、ATEX Zone 2,环境因素,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 抗电磁干扰性能 保护等级（IP20 IP67) 电路板保护涂层,Comparison - Physical,Office,Industrial,安装和连接,使用寿命,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（

12、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,EN60950 FCC Part 15 Class A EN55022,Cul508/1604 Class 1 Div 2 IEC61850-3 IEEE1613、KEMA EN50121、EN50155、ATEX Zon

13、e 1&2,可用性,产品可用性 产品生命周期 替代产品延续性,Before and After,拓扑结构和冗余,Network Topologies 总线型,Network Topologies 星型,Network Topologies 树型,Network Topologies 带有冗余结构的树形,(Rapid) Spanning Tree （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,改进的环形,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

14、性能可靠一致 降低线缆需求 拓扑清晰,缺点 非标准化 但是,MRP Media 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 地铁,Multicasting (多播通信),消息类型,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,为什么使用组播?,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,组播的应用场合?,一般应用 Video Conferencing（视频会议） Video Surveillance（视频监

15、控） Software Distribution（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Querier,VLAN （虚拟局域网）,Physical LAN,Virtual LANs,Multiple VLANs

16、 per Switch,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 Types,VLANs 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 future,Prioritization （优先级区分）,优先级(服务质量),Program Updates,Other,6,5,3,1,Control,Voice,Program Updates,O

17、ther,Priority,故障设备替换,工业以太网 - 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.,可选择的方法,Manual configuration using a serial cable (RS232). Manual configuration via the Ethernet port using special protocols Automatic configuration using DHCP Proprietary Methods 一种外部的可存储交换机配置信息和固件的硬件,可插拔外部存储设备 AC

18、A21-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,Replacement device,Option 82 Server,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,192.168.0.54,192.168.0.54,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. 故障设备替换是否方便. 网络设计时必须考虑故障设备更换,网络管理,可网管 vs 非网管交换机,非网管交换机 价格低 维护简便 即插即用 没有安

19、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,我们为什么需要网络管理?,ISO 网络管理分类,配置管理 性能管理 故障管理 安全管理 记账管理,配置管理,Redundancy（冗余） Port status（端口状态） Flow control（流量控制） VLANs Prioritisation（优先级/服务质量） Clock synchronisation (SNTP / PTP)（时间同步） Configuration management（功能配置）,监控管理,Network overview（网络状态浏览） Localising fau

20、lts（错误发现） Avoiding faults and breakdowns（错误避免）,Simple Network Management Protocol - 简单网络管理协议,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,SNMP v1 1988 Stop-gap solution Due to be replaced by Common Management Information Protocol SNMP v2a 1993 Additi

21、onal 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,网管通讯: 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 Protocol （简单网络管理协议）,AGENT,MIB,Workstation,AGENT,MIB,Router,AGENT,MIB,Switch,AGENT,MIB,Hub,MIB,AGENT,MANAGER