数字化工业网络工业以太网环网技术

今天我们来聊一聊工业以太网技术当中的环网~　　环网技术　　随着九十年代工业现场总线技术的快速兴起，通过通信连接大大的简化了机器设备的接线工作早期阶段的工业设备通常组成线性拓扑，所有的状态、控制和诊断数据沿着一根电缆进行传送，网络的设计和连接相对比较简单。

而随着技术不断发展，如今 PLC 控制器已经全面支持工业以太网，并且越来越多的工业网络设备的加入进来，网络变得愈发复杂在工业现场，如果采用线性拓扑网络的某个节点发生了问题，随后的设备就会完全的断开，造成通信的中断。

而针对工业技术对控制网络可靠性的高要求， 工业以太网的环网技术应运而生　　?　　环网技术的优点如下：　　· 可以快速检测网络错误并重新自动配置网络　　· 可以在小型和大型网络中实施使用　　· 清晰且结构简单的网络接线。

　　· 工厂可以在运行期间进行扩展工作　　· 标准化的协议确保了来自不同制造商设备的兼容性　　工业以太网为什么需要环网技术呢?或者说，以太网为什么不能直接连成环路呢?　　这是因为以太网直接连接成环路，广播的数据包会在广播域中上大量的复制，这样会使网络中充斥着广播数据，大规模耗用链路带宽，使得正常数据不能得到有效传输，也会导致交换机的 MAC 地址表震荡, 造成交换机资源被占用，导致死机。

这就是我们常说的"网络风暴"　　?　　所以，以太网的环路拓扑，必须依靠环网协议来堵塞一个端口，所有的数据通过另外的端口收发，实际上仍然维持一个线性的状态，一旦转发数据的链路发生故障，就会打开堵塞的端口保证数据传输。

　　?　　从环网发生故障，到备用端口打开，通讯恢复转发的时间我们一般称之为环网的重构时间重构时间取决于网络规模和环网协议　　?　　环网技术并不是西门子私有的技术，对于种类繁多的工业以太网设备，如何选择合适的环网协议呢?　　其实我们只要了解工业网络的特点就可以得出结论，工业网络对于实时性、可靠性要求高，一旦发生了环网的故障，要求尽快的通过备用路径恢复通讯，这样才会对生产的影响降到最低。

　　因此，选择的环网协议和设备适不适合当前的应用，完全取决于环网重构时间能不能满足工艺的要求我们看看哪些环网协议可以供我们选择　　No.1　　MRP (介质冗余)　　专门针对PROFINET 网络的环网协议，是符合 IEC 61158-5-10 标准的一种适用于工业自动化行业应用的网络冗余协议。

重构时间最大200ms，实际的重构时间取决于网络的规模，一般认为几十ms级别，因为重构时间比较快，因此非常适合工业网络的应用　　?　　支持MRP 的设备也非常多，除了交换机外，很多支持PROFINET 的CPU 和设备也都支持MRP，因此组网的选择会很灵活。

　　最新固件下的SCALANCE XM400 交换机还可以支持MRP 的多环网　　?　　No.2　　HRP(高速冗余环)　　HRP 是西门子交换机的一种私有的环网协议，它的重构时间在最大网络规模下是300ms。

HRP 主要是为了交换机的骨干网设计的环网协议，他最大的特点是可以结合环间热备(Standby)可以实现和多环网之间的链路冗余　　?　　No.3　　STP/RSTP　　STP(Spanning Tree Protocol，生成树算法，IEEE 802.1D)，网络中断恢复时间为30~60s之间。

RSTP(快速生成树算法，IEEE 802.1w)作为STP的升级，将网络中断恢复时间，缩短到1~2s生成树算法网络结构灵活，但存在恢复速度慢的缺点　　这两类协议的特点，就是都是开放的环网协议，一般的环网设备都会支持，而且不同厂家产品的兼容性比较好，布置灵活 (想怎么插，怎么插)，但是最大的问题就是重构太慢，不太适合工业环境，是典型的适合办公网络的环网协议。

　　?　　No.4　　第三方私有环网协议　　很多第三方的网络设备厂家都有私有的环网协议，是不是合适当前的工业应用环境，我们需要看看它的环网重构时间，比如假设第三方的重构时间100ms，我们的工业环境最大允许延迟如果是128ms(例如PROFINET 设备的看门狗时间)，那重构的时间将不会导致通讯掉站，当然可以使用;但是如果我们的工业环境最大允许延迟如果是64 ms，很显然重构时就会导致掉站，就会影响生产，很显然不适合了。

　　No.5　　PRP(并行冗余协议)、　　HSR (高可用性无缝环网协议)　　基于IEC 62439-3 PRP 并行冗余协议，基于 IEC 62439-3 HSR 协议，两种协议都需要有专门的设备来组网。

　　和之前介绍的环网协议数据仅在一条链路传递不同，PRP会复制帧在两个独立的网络(LAN A, LAN B)进行传输，HSR 也会在两个方向复制数据，先到的帧被转发至应用，后到的帧被丢弃　　PRP 在中间设备不需要支持PRP，其上所连接的设备的帧也不会被RNA交换机复制转发。

　　　　HSR环上所有设备都需要支持 HSR 协议　　这两种协议，因为数据在两个方向都会复制，因此无网络重构时间，0ms切换如果发生故障，因为不存在网络重构，数据可以保证无延迟的可靠传输，适合需要高可用性、无重构时间的冗余场合。

　　结语　　总之，工程师在设计网络拓扑时，为了生产的稳定性，需要考虑为网络选择使用环形拓扑，设计一种支持容错的网络结构环网技术可以利用网络节点间的冗余物理连接路径，处理网络任何一个分支的中断或丢失这可以在机器可用性方面提供额外的安全保障，并且支持容错，以满足工厂核心设备运行和过程自动化甚至能源供应的稳定要求。

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