张奇智尹汝波一、引言

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1、TheStateOfArtInSwitchedIndustrialEthernet基金项目:973计划子课题(2002cb312200-01-1)摘要:首先介绍了交换式以太网为支持实时工业通信所提供的新特性，探讨了交换式以太网应用于工厂底层时需要解决的关键技术：如优先级服务、多播的解决方法和底层智能仪表的开发等。然后对交换式工业以太网的研究进行了综述。关键词:交换式工业以太网；控制网络；实时通信中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号：1006-883X(2005)02-0034-06张奇智尹汝波一、引言一般来讲，企业信息化网络可以分为

2、三个层次，从上到下依次为信息管理层、过程监控层和现场设备层。目前信息管理层主要由快速以太网组成，中间的过程监控层原来使用的专有网络也基本上被以太网所取代，而[1]现场设备层网络主要由各种现场总线技术，如FF、Profibus和DeviceNet等实现。现场总线技术虽然已经为工业过程中遇到的许多通讯问题，提供了便捷有效的解决手段，但它们缺乏一个真正统一的国际标准，制造商提供的不同现场总线解决方案之间不具备“互操作性”。此外，一些新的工业应用已经显示出现场总线的局限性，不仅表现在有限的通信带宽上，而且表现在与高层管理网络和互联网的连接上。以太网

3、是目前应用最为广泛的局域网通信技术，随着其技术的成熟和应用范围的不断扩展，相对于其他局域网技术具有越来越明显的优势，如价格和开放性等。传统以太网区别于令牌和主从式网络的主要特点是它采用随机的网络仲裁机制(CSMA/CD)。CSMA/CD以其简洁性和可靠性，为以太网的推广和普及做出了重要贡献，[2]但由其引起的传输不确定性也是以太网进入工厂底层网络的主要障碍。而交换技术在以太网中的引入为从本质上解决其通信的确定性提供了保证。当采用全双工微网段通信方式后，每个节点都具有独立的冲突域，不再受限于原有的CSMA/CD工作方式，可以随时发送和接收数据

4、，大大改进了以太网通信的实时性。可以预见以太网技术将由高层网络向设备层不断渗透，并最终取代各种现场总线技术。本文旨在介绍交换式以太网为支持工业实时通信所提供的新特性，指出其应用于工厂底层网络时仍须解决的关键问题，并对目前的研究现状进行了综述。二、交换式以太网的优点以太网交换机的引入不仅提高了以太网的通信速率，而且也为其支持工业通信提供了新的特性，尤其是微[3，4]网段和全双工传输，基于IEEE802.1p的优先级服务和虚拟局域网技术等。1、微网段和全双工传输交换机相当于一个智能集线器，它能够读取并处理到达数据的目的地址，只把数据发送到需要的

5、端口，因此几个节点能够同时传输数据。网桥也能实现这种功能，但它只有两个端口。与路由器相比，交换机基于MAC地址进行转发，而路由器必须解析网络层头信息，并在将数据包转发到目的网段前修改头信息，数据处理开销更大。共享式以太网中的所有的网络节点共享同一物理媒体，某一时间只有一个节点可以发送数据。如果节点数目增加并有可能超过网络的负载时，必须采用网桥或者路由器把网络分割成较小的冲突域。交换机则更擅长把大的冲突域分割小的冲突域，甚至为单个设备提供独立的冲突域，有效的减少34传感器世界2005.2www.sensorworld.com.cnSignal

6、Process&System8664246-15004网支持优先级通信提供了新的契机。为了处理不同步码目的地址源地址虚拟局域网长度/类型数据校验码同优先级的数据流，交换机可以在每个端口采用标签多个缓冲区队列。在输出端口只有单个队列的交换机中，当出现拥塞时，所有数据帧都必须在同标签协议ID标签控制信息0x8100用户优先级规范格式指示符虚拟局域网ID一个队列里进行等待。相比之下，输出端口具有多个队列的交换机，能够给予优先级高的数据帧图1带IEEE802.1Q标记的以太网数据帧格式以更快的响应时间。采用IEEE802.1P区分不同甚至消除碰撞。

7、当节点位于独立的冲突域时，就拥有了整个类型的数据，也为进一步在实时数据内部实施服务策略提供交换机端口的带宽供自己使用，这就是微网段技术，它有效了基础。的消除了多个节点之间的竞争，节点发送数据时不再受限于IEEE802.1P排队特性采用带IEEE802.1Q标记的以太网[5]CSMA/CD机制。数据帧格式(图1)。标记字段的长度是4个字节，插入在以太共享式以太网属于半双工通信系统，数据能够在两个方网数据帧的源地址和“长度/类型”字段之间，前两个字节总向上传输，但在给定时间，节点只能是发送或者接收数据。是设置为0x8100，称为802.1Q标记

8、类型。在后面的两个字在采用同轴电缆的以太网中，由于采用同一条导线并在同一节中，前3个比特是用户优先级字段，可以提供8种优先级。频率上发送和接收数据，因此不可能实现全双工传输。在基