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工业以太网中的集线器、交换机及路由器有什么不同?

工业以太网在当前的自动化控制中已经相当普及。作为以太网的重要组成部分——交换机、路由器及集线器等元件在工业网络中发挥着重要的作用。其中,工业交换机的使用最为广泛。工业交换机包括两类:非管理型交换机和管理型交换机。非管理型交换机就是普通意义上的交换机,而管理型交换机则支持很多网络协议,有的还具有路由功能。集线器的使用不多,在某些情况下需要抓取网络通信报文时会用到。今天这篇文章我们来详细介绍下这三种网络元件。

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1、集线器(Hub)

集线器是一种工作在物理层(OSI网络参考模型第一层)的网络元件,它以广播的方式向外发送数据。换句话说,它将接收到的数据,镜像式的发送到其所有端口中。数据发送没有目的性,所有连接到其端口的设备均能收到。集线器广播式的发送数据容易造成网络风暴,浪费有限的网络带宽。另外由于所有端口均能收到数据,使其安全性很低,因此这种元件已经很少使用。但是在某些特殊场合下,比如为了获取网络通信报文,需要用到集线器。

2、交换机(Switch)

交换机是一种工作在数据链路层(OSI网络参考模型第二层)的网络元件。前面我们说过,工业交换机包括非管理型和管理型两类。如果没有特别指明,说起交换机,都是指非管理型交换机。通常情况下,它是以端口到端口的形式进行数据转发。交换机的数据转发基于MAC地址,在其内部保存着一张MAC地址表,记录着端口与MAC地址的对应关系。当收到报文时,交换机分析报文中的MAC地址,然后根据MAC地址表,发送到相应的端口中。在上电初期,MAC地址表不完整的情况下,交换机会以广播的形式发送数据。在通信过程中,也会根据网络通断的情况,实时更新MAC地址表。

工业以太网中不建议使用商用交换机,而应该使用工业交换机。以PROFINET为例,它对交换机有如下一些要求:

  • 工业级;

  • 支持百兆速率,支持全双工通信;

  • 支持IEEE 802.1q(VLAN标记协议)及IEEE 802.1p(优先级协议);

  • 支持VLAN ID为0的报文透传;

说明:非网管型交换机虽然不支持划分VLAN,当应支持VLAN报文的转发

西门子SCLANCE X00/X100/XC100非管理型交换机可满足PROFINET对交换机的要求,具体如下:

  • 工业级交换机,所有的端口均是百兆以上。支持自协商(速率、半双工/全双工模式)和自交叉(直连线或交叉线);

  • 支持IEEE 802.1p优先级标准;

  • PROFINET RT(实时)数据的VLAN ID为0。X00/X100/XC100系列交换机完全支持VLAN ID为0的报文转发。而在有些交换机中,VLAN ID为0会被当作非法数据丢弃;


工业网络中的管理型交换机有的工作在第二层(数据链路层),有的工作在第三层(网络层),视产品不同而不同。与非管理型交换机相比,管理型交换机具有更强的网络管理能力,支持更多的协议,比如:

  • LLDP(Link Layer Discovery Protocol),链路层发现协议,用于支持网络拓扑结构报文;

  • SNMP(Simple Network Management Protocol),简单网络管理协议,可管理网络上的设备;

  • WEB服务器协议;

  • 冗余管理协议;

  • 可划分VLAN(虚拟局域网),支持VLAN之间路由功能;

  • 网络信息诊断;

管理型交换机在PROFINET网络中的典型应用是通过拓扑结构分配设备名,从而实现设备更换免维护。我们知道每一个PROFINET I/O设备都必须被分配设备名称后才能正常工作。通过使用管理型交换机并设置端口的拓扑结构,这样即使更换了新设备,PROFINT I/O控制器也会自动给该设备分配设备名,达到了免维护的效果。

西门子新一代管理型交换机Scalance XB208的外观如下图所示:

Scalance XB208.png

二层交换机的数据转发只能在同一个子网中。TCP/IP协议规定不同的子网之间不能直接通信,要实现子网之间的通信,必须使用路由器(或者三层交换机)。

3、路由器(Router)

路由器是一种工作在网络层(OSI网络参考模型第三层)的网络元件。它由两个网络部分组成,分别连接两个子网,从而实现子网之间的通信。路由器有两类不同的端口,一类称为LAN口,一类称为WAN口。LAN口用于连接局域网,WAN口可连接广域网(或另一个子网)。比如TP-Link的TL-R483G工业级路由器的外观如下图所示:

TP-Link TL-R483G工业路由器.jpg

与交换机类似,路由器的内部也保存着一张各端口与设备的对应表,称为路由表。不同之处在于,路由表是基于IP地址的。当子网内某个设备发送的IP地址不在当前子网内时,设备会将其发送给路由器(设置网关地址)。路由器负责将该报文转发到相应的子网中。

路由器支持更多的网络协议(比如TCP/IP、DHCP、ICMP、NAT、PPPoE、 SNTP、HTTP、DNS、H.323、SIP、DDNS等,视产品而定),具有更强的网络管理能力,有的还有防火墙、VPN等功能,是工厂上层管理系统(比如MES)不可缺少的元器件。

好了,关于工业网络中的集线器、交换机和路由器就先介绍到这里。

相关文章链接:

非管理型交换机和管理型交换机有什么区别?

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工业以太网中的集线器、交换机及路由器有什么不同?

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