隨著工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)模的擴展，管理型交換機解決了許多與流 量增加、冗余和安全要求以及提高網(wǎng)絡感知的普遍需求有關(guān)的問題。圖 片來源 ：Automation Direct
作者：Bill Dehner
工業(yè)自動化系統(tǒng)需要強化的網(wǎng)絡設備，以便提供所需的可靠性能和網(wǎng)絡 安全。設計人員需要考慮非管理型交換機是否能夠滿足需求，或者是否 有必要升級到管理型交換機。
在當今世界，以太網(wǎng)速度驚人而且相對可 靠，不管是有線和還是 Wi-Fi 形式，都 已為各個年齡段和不同技術(shù)能力的人所熟悉， 人們很容易就認為 ：工業(yè)自動化系統(tǒng)可以連接到任何可用的網(wǎng)絡設備。畢竟，人們經(jīng)常將他 們的便攜式設備、娛樂電子產(chǎn)品甚至家庭自動 化組件連接到本地網(wǎng)絡，然后再連接到云，而 且大多數(shù)的效果都很好。
使用“大多數(shù)”這個詞的原因，也是工業(yè)解決方案必須指定工業(yè)產(chǎn)品的原因。雖然對一 般消費者來講，任何網(wǎng)絡設置故障通常比問題 更令人討厭，但工業(yè)系統(tǒng)則不同，它們在不斷 通過以太網(wǎng)處理時間敏感數(shù)據(jù)，在某些情況下 甚至是輸入 / 輸出 (I/O) 信號。在某種程度上， 這些信號通常是可選功能，只是提供監(jiān)視信息， 但響應式 I/O 和聯(lián)鎖信號是避免設備損壞、產(chǎn) 品浪費和數(shù)據(jù)丟失所必須的，同時還能保護人 員安全。
工業(yè)網(wǎng)絡交換機由強大和冗余的電源供電，并與優(yōu)質(zhì)介質(zhì)和配件相連，各種價位都有， 可以隨時購買。但用戶必須主動做出基本選擇， 是選擇非管理型交換機——對于某些應用來說 這已經(jīng)足夠了，還是選擇管理型交換機——可以提供顯著的運營優(yōu)勢，但采購和配置成本更 高。本文著眼于讓設計人員確定是否可以使用 非管理型以太網(wǎng)交換機，以及何時需要管理型 交換機。
工業(yè)級交換機
雖然有數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)交換機可用，旨在 滿足嚴格的性能要求，但安裝在現(xiàn)場環(huán)境中的 任何交換機都需要承受更高的極端溫度、振動 和電氣噪聲抗擾度。早期試驗性質(zhì)的工業(yè)級以 太網(wǎng)交換機，是小批量的專業(yè)產(chǎn)品，并且比同 類商用產(chǎn)品貴得多。
隨著以太網(wǎng)在工業(yè)自動化所有層級中的 普遍應用，從現(xiàn)場信號到控制器和監(jiān)控層都實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，工業(yè)交換機的價格也更具競 爭力。改進的電子設備降低了功耗和發(fā)熱，這 樣就可以不必配置容易出現(xiàn)故障的風扇。設計 人員在選擇網(wǎng)絡硬件時，具有更大的自由度， 這樣他們就可以根據(jù)需要，輕松建立從現(xiàn)場到 控制盤臺再到服務器機房的連接。這樣，除了 可以節(jié)省幾美元之外，幾乎沒有任何理由不使 用工業(yè)級交換機。
但什么時候選擇基本的即插即用非管理型交換機，或者什么時候轉(zhuǎn)向管理型交換機， 并不總是那么顯而易見。負責選擇自動化網(wǎng)絡 組件的運營技術(shù) (OT) 人員，并不總是非常熟 悉信息技術(shù) (IT) 概念以及與管理型交換機的相 應優(yōu)勢。
何時選擇管理型交換機？
對于一個典型的原始設備制造商（OEM） 的工業(yè)設備 ：由帶 I/O 的可編程邏輯控制器 （PLC）、人機界面（HMI）和其他各種智能設 備實現(xiàn)自動化，小型非管理型工業(yè)交換機通 常是最好的選擇，其價格可以低于 100 美元。這些設備易于使用，提供足夠的網(wǎng)絡速度，可 用于銅或光纖介質(zhì)。對于簡單的、預算不多的 項目，它們可能是最好的方式。
但是，一旦互連的設備數(shù)量增加，或者以 前獨立的自動化設備與工廠內(nèi)與局域網(wǎng) (LAN) 內(nèi)的數(shù)十或數(shù)百個其它系統(tǒng)和智能設備相互連 接，可能會出現(xiàn)更嚴重的網(wǎng)絡問題。家庭或辦公室環(huán)境中的網(wǎng)絡，流量過載和其它 網(wǎng)絡問題，可能只會造成電子郵件發(fā)送延遲或 視頻播放速度降低，直到問題得到解決。然而， 在工業(yè)控制網(wǎng)絡上，流量過載會導致設備運行 不正常。
有如下 5 種最常見的情況，如果滿足一 項或多項，就需要管理型交換機 ：
· 增強的流量過濾 ；
· 網(wǎng)絡冗余 ；
· 全面的安全保障 ；
· 更深入的故障排除和診斷信息 ；
· 為用戶和自動化平臺提供更好的整體網(wǎng) 絡“意識”。
更好的通訊
為了最大限度地減少網(wǎng)絡延遲、提高網(wǎng) 絡的確定性水平，必須將通信數(shù)據(jù)包從源設 備傳輸?shù)侥繕嗽O備。當數(shù)據(jù)包傳輸?shù)讲恍枰?的地方時，目標設備就需要消耗資源來處理數(shù)據(jù)包，從而延遲對關(guān)鍵通信的處理。
現(xiàn)代非管理型交換機可以實現(xiàn)一定程度的數(shù)據(jù)包過濾，或多或少的可以緩解這個問 題。但非管理型交換機，無法有效識別并過 濾很多類型的數(shù)據(jù)包，因此這些設備最終會將不需要的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到所有相互連接的設備上。
在商業(yè)和工業(yè)環(huán)境中，管理型交換機具有多項功能可以實現(xiàn)流量過濾 ：
· 多播過濾 ：在控制系統(tǒng)中多播數(shù)據(jù)包 很常見，由非管理型交換機不加選擇地轉(zhuǎn)發(fā)。管理型交換機執(zhí)行因特網(wǎng)組管理協(xié)議 (IGMP)， 通過偵聽了解何時需要這些數(shù)據(jù)包并有選擇 地轉(zhuǎn)發(fā)。
· 虛擬局域網(wǎng) (VLAN) ：管理型交換機提 供 VLAN，因此用戶可以在同一個物理裝置 上實現(xiàn)邏輯分隔網(wǎng)絡流量。這可以有效地對 設備進行分組，因此每個組都不會收到來自 其它組的流量。
· 流量優(yōu)先級 ：使用服務質(zhì) 量 (QoS) 功能，使設備可以確定 所發(fā)送數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級，這樣管 理型交換機就可以根據(jù)其優(yōu)先級 來依次處理每個數(shù)據(jù)包。
上述功能假設網(wǎng)絡正常運行， 但必須綜合考慮各個方面以克服 任何硬件或介質(zhì)（布線）故障。
冗余建議
一個基本的非托管以太網(wǎng)網(wǎng) 絡，只允許在網(wǎng)絡上的任何兩個 設備的端口之間，建立一個點對 點連接或路徑。在此網(wǎng)絡上，如 果設備之間的多條路徑形成環(huán)路， 則數(shù)據(jù)包會在環(huán)路中無休止地循 環(huán)，從而引發(fā)網(wǎng)絡風暴，遲早會 使網(wǎng)絡的流量不堪重負。然而， 單一路徑的后果是任何硬件、電 源或電纜故障都會造成通信中斷。
相對于非管理型交換機，冗余功能是管理型交換機的一個顯 著優(yōu)勢。兩種常見的方法是 ：
· 快速生成樹協(xié)議 (RSTP) ：這種基于 IT 的協(xié)議，允許設計人 員在網(wǎng)絡上創(chuàng)建多條路徑，從而 創(chuàng)建環(huán)路，因為管理型交換機可 以使用 RSTP 來確定和控制應使 用哪條路徑，以及在檢測到故障 時應該切換到哪條備用路徑。這 么做可以避免網(wǎng)絡風暴，但 RSTP 可能因響應太慢而無法有效的服 務于自動化應用。
· 環(huán)路協(xié)議 ：環(huán)路協(xié)議可用 于連接環(huán)形布置的交換機，它從 網(wǎng)絡故障中恢復的速度比 RSTP快得多，快到可以在很多關(guān)鍵的 自動化應用中使用。環(huán)路協(xié)議沒 有實現(xiàn)標準化，只能用某些品牌 和型號的交換機（參見圖 2）實現(xiàn)。
▎插入公母按扣后，機器 人將布料放在視覺相機 鏡頭下進行質(zhì)量檢查， 然后將其分類為“合格” 或“不合格”。
雖然升級到管理型交換機以 及安裝額外電纜線路需要增加成 本，但擁有多臺交換機的工業(yè)自 動化項目，通過實施環(huán)路協(xié)議可 以獲得更大的網(wǎng)絡彈性。
卓越的安全性
在任何網(wǎng)絡中都需要防止意 外或惡意活動，這對于運行物理設 備并包含有價值數(shù)據(jù)的自動化網(wǎng)絡 而言至關(guān)重要。非管理型交換機轉(zhuǎn) 發(fā)數(shù)據(jù)包，但管理型交換機可以通 過以下方式提供額外的保護 ：
· 端口控制 ：用戶可以禁用 未使用的端口以限制未經(jīng)授權(quán)的 訪問。
· 管理和瀏覽器安全性 ：這 些設置包括密碼和使用 SSL 的行 業(yè)標準 HTTPS，可確保未經(jīng)授權(quán) 的人員或應用程序無法中斷交換 機和網(wǎng)絡設置。
更深入的診斷
當確實出現(xiàn)網(wǎng)絡問題時，技 術(shù)人員需要盡快提供有用信息以 進行故障排除。非管理型交換機 通常不支持此類診斷，但管理型 交換機可以通過以下幾種方式提 供必要的可見性 ：
· 端口監(jiān)控 ：為實現(xiàn)詳細的 故障排除，此功能允許技術(shù)人員 識別要檢查的端口，以便將該端口的所有數(shù)據(jù)鏡像到另一個可用 端口。用戶可以將自己的 PC 連 接到鏡像端口，并使用 Wireshark 等軟件來檢查數(shù)據(jù)包的內(nèi)容。
· 網(wǎng)絡統(tǒng)計 ：在管理型交換 機的配置中提供了網(wǎng)絡統(tǒng)計頁面， 只要具有適當?shù)氖跈?quán)，用戶就可 以通過網(wǎng)絡瀏覽器連接并訪問這 些頁面。這些頁面上的數(shù)據(jù)可以 幫助識別損壞的數(shù)據(jù)包，例如， 由現(xiàn)場接線錯誤引起的數(shù)據(jù)包。
豐富的感知
流量、冗余、安全和診斷很重要，但如果自動化系統(tǒng)和用戶沒有感知到問題，那么在問題惡 化之前也就無法預防問題。合適 的管理型交換機可以提供感知以 支持更智能的自動決策，讓技術(shù) 人員盡快參與進來，但僅限于在 必要時。
有很多種方法可以通過管理 型交換機將網(wǎng)絡感知集成到自動 化系統(tǒng)中 ：
·Modbus TCP 和 EtherNet/ IP ：面 向 工 業(yè) 自 動 化 應 用 的 管 理型交換機可以提供診斷標簽， PLC 可以使用 Modbus TCP 或 EtherNet/IP 協(xié)議通過以太網(wǎng)讀取 這些標簽。如果顯示網(wǎng)絡有問題， PLC 可以利用這些信息采取行動， 例如停止設備或通過 HMI 通知運 行人員。更高級的管理型交換機 允許使用這些協(xié)議實現(xiàn)完整的管 理功能。
· 簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議 (SNMP) ：當管理型交換機包含 SNMP 時， 用戶可以利用很多軟件工具來查 詢或接收由交換機生成的“陷阱”， 并指示硬件運行狀況或其它網(wǎng)絡 事件。
· 報警輸出 ：對于喜歡簡化 并不使用與交換機的通信協(xié)議的 用戶，一些工業(yè)管理型交換機提 供硬接線繼電器輸出，通過 PLC 數(shù)字輸入，報告電源冗余故障。
· 生成樹或環(huán)狀網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)：當生成樹或環(huán)狀網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)發(fā)生 變化時，用戶能夠及時得到通知 很重要，因為這表明正常的網(wǎng)絡 路徑出現(xiàn)故障。管理型交換機可 以向自動化系統(tǒng)報告此類問題， 因此可以提示用戶在次要問題導 致網(wǎng)絡故障之前識別并解決主要 問題。
· 媒體訪問控制 (MAC) 表 ：家庭環(huán)境中的個人網(wǎng)絡和零售企 業(yè)中的商業(yè)網(wǎng)絡，可能會有許多 新用戶進進出出。另一方面，工 業(yè)網(wǎng)絡通常具有穩(wěn)定數(shù)量的客戶 端。因此，技術(shù)人員可以監(jiān)控由 交換機維護的 MAC 標識表以檢 測意外變化。
當自動化系統(tǒng)命令閥門移動 或電機運行時，終端設備可以通 過傳感器進行監(jiān)控，因此可以驗 證操作——如果操作失敗，則會 發(fā)出報警。使用管理型交換機， 設計人員可以利用來自交換機的 反饋，對網(wǎng)絡操作執(zhí)行類似的閉 環(huán)驗證。
采取這些步驟可確保獲得最 佳的網(wǎng)絡感知，使自動化系統(tǒng)能 采取行動并讓用戶了解情況。關(guān) 鍵系統(tǒng)的運營尤其需要這種級別 的保護。
轉(zhuǎn)向管理型交換機
在低優(yōu)先級網(wǎng)絡限制的情況 下，非管理型交換機可以經(jīng)濟有 效的將少數(shù)設備連接在一起。但 是，對于大多自動化應用來講， 與非管理型交換機相比，遷移到 管理型交換機的成本增加并不是 一個主要的考慮因素。
對于許多應用，設計人員應考慮管理型交換機直接和未來的 優(yōu)勢，并根據(jù)以前使用非管理型 交換機的場景來確定管理型交換 機（見表 1）。
與簡單的即插即用非管理型 交換機相比，管理型交換機確實 需要更多的用戶配置。然而，瀏 覽器界面和配置指南在很大程度 上簡化了這項任務，這意味著 OT 人員無需 IT 參與即可完成工 業(yè)網(wǎng)絡的配置和管理。
對于大多數(shù)任何類型的工業(yè) 自動化項目而言，用戶可能會發(fā) 現(xiàn)管理型交換機雖然成本更高， 但是可為運營、安全和維護自動 化系統(tǒng)方面帶來顯著收益。
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