工業(yè)自動(dòng)化中常見的幾種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　工業(yè)自動(dòng)化和物聯(lián)網(wǎng)背景下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是指節(jié)點(diǎn)和設(shè)備（如傳感器、執(zhí)行器、智能電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和控制器）以及交換機(jī)、集線器和網(wǎng)關(guān)之間的硬接線通信連接的布局。機(jī)器或大型工廠裝置所用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了：

• 　　系統(tǒng)通信穩(wěn)定性和速度
• 　　工業(yè)網(wǎng)絡(luò)所擁有的冗余量和恢復(fù)時(shí)間
• 　　最重要的連接恢復(fù)能力（在網(wǎng)絡(luò)中的某些鏈路發(fā)生故障后）。

　　本文解釋了幾種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括各種環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及一些專有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和它們的使用范圍。

圖 1：這里展示的是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要家族。（圖片來源：Design World）

　　更多關(guān)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型的信息

　　工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指歸類為鏈路（有線布局中的電纜連接）和節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)組件彼此之間的布局方式。節(jié)點(diǎn)是指可以作為再分配點(diǎn)或通信端點(diǎn)的設(shè)備。相反，鏈路是節(jié)點(diǎn)連接的手段——無論是有線還是無線。鏈路可以是：

　　單工——只允許單向通信

　　雙工——允許在兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行通信

　　半雙工——允許任何方向的通信，但一次只能有一個(gè)方向

　　一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是節(jié)點(diǎn)通過鏈路連接的方式。布局有很多。

　　總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)有一條主要的電纜“軌道”（稱為總線），每個(gè)節(jié)點(diǎn)都獨(dú)立地連接到它，或在許多行業(yè)參考文獻(xiàn)中稱為“分支”。

　　星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)是圍繞著一個(gè)節(jié)點(diǎn)以集線器的形式集中進(jìn)行的。然后，其他節(jié)點(diǎn)通過其鏈路連接到集線器。星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在省電方面也有一些優(yōu)勢，因?yàn)閭€(gè)體設(shè)備只需間歇性傳輸，可以關(guān)閉電源，只有集線器需要持續(xù)供電。

　　網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：這是具有完全連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到每個(gè)其它節(jié)點(diǎn)。采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)（如完全連接的布局）基于去中心化的連接，每個(gè)連接均采用以同樣的方式，但并不要求每一對節(jié)點(diǎn)都是連接的。不是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都連接到其他節(jié)點(diǎn)的設(shè)置，有時(shí)稱為部分連接的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

　　無線網(wǎng)絡(luò)通常使用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)堅(jiān)固而安全，并且降低了功耗。這對于擁有電池供電型節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)來說是一個(gè)有用的功能。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)還可以在即定布線量下提高網(wǎng)絡(luò)范圍，因?yàn)閱蝹€(gè)鏈路可以比整個(gè)網(wǎng)絡(luò)短。這對擁有許多低功耗傳感器的大型物聯(lián)網(wǎng)來說是有利的。也許最重要的是，采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)提供了最高的靈活性和冗余度——尤其是在完全連接的情況下。有一點(diǎn)需要注意的是，從鏈路故障中恢復(fù)可能很慢，因?yàn)橄到y(tǒng)必須在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中找到一條新的路徑——可能需要重新配置斷裂鏈路周圍的端口。對于有線網(wǎng)絡(luò)，額外的電纜和端口也使得網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加昂貴。

　　環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)將每個(gè)節(jié)點(diǎn)與相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)按順序連接起來，形成一個(gè)環(huán)。這也稱冗余環(huán)，因?yàn)殒溌房梢灾辉谑褂脮r(shí)才啟用。

　　深入研究工業(yè)自動(dòng)化的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有良好的數(shù)據(jù)傳輸率，并能從鏈路故障中迅速恢復(fù)。電纜費(fèi)用也相對較低。難怪環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常是有線工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的主要選擇。在一條冗余鏈路被禁用的情況下，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)可有效形成一條線路，并能提供快速和有效的通信。在鏈路故障期間，沒有復(fù)雜的重新路由。相反，冗余鏈路激活也簡單——且所有其他鏈路繼續(xù)使用系統(tǒng)的默認(rèn)端口路由。

　　考慮傳輸控制協(xié)議 （TCP） 和用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議 （UDP） 中常見的環(huán)形拓?fù)洳季?。通過 TCP 和 UDP IP 協(xié)議，互聯(lián)網(wǎng)連接成為可能，因?yàn)槊總€(gè)設(shè)備都有一個(gè) IP 地址。這些 IP 地址允許系統(tǒng)將數(shù)據(jù)包從一個(gè)地址路由到另一個(gè)地址。數(shù)據(jù)包包含實(shí)際數(shù)據(jù)并在報(bào)頭中帶有附加信息，其中包括目的地 IP 地址。

　　TCP（通常稱為 TCP/IP）控制數(shù)據(jù)包如何在其目的地重新組合。這樣做的先決條件是有來自發(fā)送方和接收方的通信。發(fā)送方在報(bào)頭中包括序列號，而接收方必須返回一個(gè)確認(rèn)收到數(shù)據(jù)包的消息。如果數(shù)據(jù)包沒有被確認(rèn)，它們就會(huì)被拒收。設(shè)備還會(huì)在每個(gè)數(shù)據(jù)包頭中使用校驗(yàn)和來檢查數(shù)據(jù)包的錯(cuò)誤。這種 TCP 過程確保了可靠的數(shù)據(jù)交換，但也造成相對緩慢的來回通信過程。相比之下，UDP（較新的 IP 協(xié)議）允許在 IP 地址之間進(jìn)行更簡單和快速的數(shù)據(jù)傳輸。接收方設(shè)備不需要確認(rèn)收到數(shù)據(jù)包，所以速度更快，代價(jià)是可靠性略有下降。

　　冗余挑戰(zhàn)和補(bǔ)充解決方案

　　基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議補(bǔ)充了冗余功能，以在確保數(shù)據(jù)有效的同時(shí)避免橋接環(huán)路出問題，并避免引起廣播輻射?；旧希瑯蚪踊蚪粨Q環(huán)路是不必要、有問題的重復(fù)數(shù)據(jù)傳輸。這些環(huán)路造成了設(shè)備之間的重復(fù)連接傳播——當(dāng)網(wǎng)絡(luò)在兩個(gè)通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間有多條路徑時(shí)就會(huì)發(fā)生。

圖 2：在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)速度快，能從鏈路故障中快速恢復(fù)。（圖片來源：Design World）

　　橋接環(huán)路會(huì)造成重復(fù)的數(shù)據(jù)重播，這反過來又會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)過載和網(wǎng)絡(luò)速度急劇下降。這個(gè)問題最容易出現(xiàn)在有大量冗余的系統(tǒng)中。

　　鏈路聚合使用平行的以太網(wǎng)電纜和端口來增加帶寬和加速恢復(fù)。這意味著當(dāng)一條鏈路發(fā)生故障時(shí)，連接不會(huì)丟失，但一些數(shù)據(jù)可能會(huì)丟失，帶寬也會(huì)減少。電纜通常因某些機(jī)械因素?fù)p壞而失效，平行電纜應(yīng)沿不同路徑布線，這大大增加安裝成本。這種簡單的方法被標(biāo)準(zhǔn)化為鏈路聚合控制協(xié)議 （IEE 802.1ad）。

　　既能保持冗余的優(yōu)勢，又能避免橋接環(huán)路。在這里，解決方案是具有平行物理環(huán)路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輔之以通過使用網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議有選擇地禁用鏈路的能力。然后，如果一條活動(dòng)鏈路發(fā)生故障，邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就會(huì)擴(kuò)展到包括一條冗余鏈路——并圍繞故障鏈路進(jìn)行重新路由。生成樹協(xié)議 （STP）、快速生成樹協(xié)議 （RSTP） 和各種專有環(huán)形協(xié)議都提供了這種網(wǎng)絡(luò)管理功能。請注意，生成樹是這些協(xié)議中創(chuàng)建的無環(huán)路邏輯拓?fù)涞牧硪粋€(gè)名稱；不屬于生成樹的鏈路被禁用。

　　STP 和 RSTP 適用于網(wǎng)狀和環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為大多數(shù)應(yīng)用提供了適當(dāng)?shù)目焖倩謴?fù)時(shí)間。也就是說，最苛刻的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用往往要求極快的恢復(fù)時(shí)間，只有專有的環(huán)形協(xié)議才能做到。

　　專有環(huán)形協(xié)議抽樣

　　顧名思義，專有環(huán)形協(xié)議是特定于網(wǎng)絡(luò)硬件制造商的。例如，某些 Red Lion N-Tron 交換機(jī)使用 N-Ring 專有環(huán)形協(xié)議。這些專有協(xié)議控制網(wǎng)絡(luò)環(huán)路并處理鏈路故障，提供了替代 STP 或 RSTP 的選擇。

　　如前所述，環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要用于物理接線的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槠溲舆t低，能夠提供最高的可靠性，所以具有最快的數(shù)據(jù)傳輸和鏈路故障恢復(fù)速度。冗余是恢復(fù)鏈路故障的關(guān)鍵。關(guān)鍵是，冗余會(huì)導(dǎo)致重復(fù)數(shù)據(jù)出現(xiàn)循環(huán)問題。要防止這個(gè)問題，就必須要有能夠防止環(huán)路和快速恢復(fù)鏈路故障的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議——特別是對于不能容忍停機(jī)的工業(yè)自動(dòng)化操作。對于這種需要保持快速故障恢復(fù)時(shí)間的應(yīng)用，專有的環(huán)形協(xié)議往往是最合適的選擇。

　　考慮一下幾個(gè)最廣泛使用的專有環(huán)形協(xié)議。

　　HiPER 環(huán)在 1999 年由 Hirschmann 和西門子發(fā)布，是一種專有的環(huán)形協(xié)議。它現(xiàn)在在 IEC 62439 中得到了標(biāo)準(zhǔn)化，有一個(gè)通用的名字叫媒體冗余協(xié)議 （MRP）。它可以支持多達(dá) 200 個(gè)節(jié)點(diǎn)。盡管標(biāo)準(zhǔn)版本的恢復(fù)時(shí)間為 500 毫秒，但 Fast HiPER 環(huán)聲稱其恢復(fù)時(shí)間為 60 毫秒，更具競爭力。

　　彈性以太網(wǎng)協(xié)議 （REP） 是思科的專有協(xié)議，Rockwell Automation 和 Westermo 也在使用。REP 提供快速和可預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)行為，并聲稱恢復(fù)時(shí)間低至 20 毫秒。REP 有一些局限性，即不是即插即用的，不能自動(dòng)防止環(huán)路。相反，REP 必須經(jīng)適當(dāng)配置才能提供這些功能。REP 的工作原理是創(chuàng)建鏈在一起的端口集合——采用稱為網(wǎng)絡(luò)段的序列形式。

　　X-ring 是 Advantech 的專有環(huán)技術(shù)，其聲稱的最快恢復(fù)時(shí)間可能只有 10 毫秒。這里需要注意的是，X-ring 僅限于有 20 個(gè)或更少節(jié)點(diǎn)的相對較小的網(wǎng)絡(luò)。

　　前面提到的 Red Lion 專有 N-Ring 協(xié)議具有 30 毫秒的恢復(fù)能力和支持大型網(wǎng)絡(luò)的能力——最多可支持 250 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

　　上面列出的速度范圍相當(dāng)大是有原因的。雖然 TCP 和 UDP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的速度略有不同，但工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和管理協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)速度的影響要大得多。例如，STP 冗余環(huán)網(wǎng)絡(luò)在 TCP 上的恢復(fù)速度為 30 至 90 秒，在 UDP 上的恢復(fù)速度為 10 至 50 秒；RSTP 將這些值減少到 1 至 3 秒。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時(shí)間甚至更高。相比之下，某些專有的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)在 TCP 上僅需 0. 3 秒就能從鏈路故障中恢復(fù)，在 UDP 上僅需 0.2 秒。實(shí)際上，一些制造商聲稱其專有環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時(shí)間要好得多，有時(shí)甚至在 10 毫秒之內(nèi)。

　　關(guān)于工業(yè)自動(dòng)化中環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總結(jié)

　　環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在有線工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中很常見。其低延遲和頂級可靠性通常要輔之以專有方法來防止循環(huán)和處理鏈路故障，比傳統(tǒng)的 STP 或 RSTP 更好。