詳細介紹下工業(yè)以太網中的集線器、交換機及路由器這三種網絡元件

工業(yè)以太網在當前的自動化控制中已經相當普及。作為以太網的重要組成部分——交換機、路由器及集線器等元件在工業(yè)網絡中發(fā)揮著重要的作用。其中，工業(yè)交換機的使用最為廣泛。工業(yè)交換機包括兩類：非管理型交換機和管理型交換機。非管理型交換機就是普通意義上的交換機，而管理型交換機則支持很多網絡協議，有的還具有路由功能。集線器的使用不多，在某些情況下需要抓取網絡通信報文時會用到。今天這篇文章我們來詳細介紹下這三種網絡元件。

1、集線器（Hub）

集線器是一種工作在物理層（OSI網絡參考模型第一層）的網絡元件，它以廣播的方式向外發(fā)送數據。換句話說，它將接收到的數據，鏡像式的發(fā)送到其所有端口中。數據發(fā)送沒有目的性，所有連接到其端口的設備均能收到。集線器廣播式的發(fā)送數據容易造成網絡風暴，浪費有限的網絡帶寬。另外由于所有端口均能收到數據，使其安全性很低，因此這種元件已經很少使用。但是在某些特殊場合下，比如為了獲取網絡通信報文，需要用到集線器。

2、交換機（Switch）

交換機是一種工作在數據鏈路層（OSI網絡參考模型第二層）的網絡元件。前面我們說過，工業(yè)交換機包括非管理型和管理型兩類。如果沒有特別指明，說起交換機，都是指非管理型交換機。通常情況下，它是以端口到端口的形式進行數據轉發(fā)。交換機的數據轉發(fā)基于MAC地址，在其內部保存著一張MAC地址表，記錄著端口與MAC地址的對應關系。當收到報文時，交換機分析報文中的MAC地址，然后根據MAC地址表，發(fā)送到相應的端口中。在上電初期，MAC地址表不完整的情況下，交換機會以廣播的形式發(fā)送數據。在通信過程中，也會根據網絡通斷的情況，實時更新MAC地址表。

工業(yè)以太網中不建議使用商用交換機，而應該使用工業(yè)交換機。以PROFINET為例，它對交換機有如下一些要求：

工業(yè)級；

支持百兆速率，支持全雙工通信；

支持IEEE 802.1q（VLAN標記協議）及IEEE 802.1p（優(yōu)先級協議）；

支持VLAN ID為0的報文透傳；

說明：非網管型交換機雖然不支持劃分VLAN，當應支持VLAN報文的轉發(fā)

西門子SCLANCE X00/X100/XC100非管理型交換機可滿足PROFINET對交換機的要求，具體如下：

工業(yè)級交換機，所有的端口均是百兆以上。支持自協商（速率、半雙工/全雙工模式）和自交叉（直連線或交叉線）；

支持IEEE 802.1p優(yōu)先級標準；

PROFINET RT（實時）數據的VLAN ID為0。X00/X100/XC100系列交換機完全支持VLAN ID為0的報文轉發(fā)。而在有些交換機中，VLAN ID為0會被當作非法數據丟棄；

工業(yè)網絡中的管理型交換機有的工作在第二層（數據鏈路層），有的工作在第三層（網絡層），視產品不同而不同。與非管理型交換機相比，管理型交換機具有更強的網絡管理能力，支持更多的協議，比如：

LLDP（Link Layer Discovery Protocol），鏈路層發(fā)現協議，用于支持網絡拓撲結構報文；

SNMP（Simple Network Management Protocol），簡單網絡管理協議，可管理網絡上的設備；

WEB服務器協議；

冗余管理協議；

可劃分VLAN（虛擬局域網），支持VLAN之間路由功能；

網絡信息診斷；

管理型交換機在PROFINET網絡中的典型應用是通過拓撲結構分配設備名，從而實現設備更換免維護。我們知道每一個PROFINET I/O設備都必須被分配設備名稱后才能正常工作。通過使用管理型交換機并設置端口的拓撲結構，這樣即使更換了新設備，PROFINT I/O控制器也會自動給該設備分配設備名，達到了免維護的效果。

二層交換機的數據轉發(fā)只能在同一個子網中。TCP/IP協議規(guī)定不同的子網之間不能直接通信，要實現子網之間的通信，必須使用路由器（或者三層交換機）。

3、路由器（Router）

路由器是一種工作在網絡層（OSI網絡參考模型第三層）的網絡元件。它由兩個網絡部分組成，分別連接兩個子網，從而實現子網之間的通信。路由器有兩類不同的端口，一類稱為LAN口，一類稱為WAN口。LAN口用于連接局域網，WAN口可連接廣域網（或另一個子網）。

與交換機類似，路由器的內部也保存著一張各端口與設備的對應表，稱為路由表。不同之處在于，路由表是基于IP地址的。當子網內某個設備發(fā)送的IP地址不在當前子網內時，設備會將其發(fā)送給路由器（設置網關地址）。路由器負責將該報文轉發(fā)到相應的子網中。

路由器支持更多的網絡協議（比如TCP/IP、DHCP、ICMP、NAT、PPPoE、 SNTP、HTTP、DNS、H.323、SIP、DDNS等，視產品而定），具有更強的網絡管理能力，有的還有防火墻、VPN等功能，是工廠上層管理系統(tǒng)（比如MES）不可缺少的元器件。

好了，關于工業(yè)網絡中的集線器、交換機和路由器就先介紹到這里。

審核編輯：劉清