討論共享型以太網(wǎng)的距離，不能忽略碰撞域（CollisionDomain）的概念。

　　共享型以太網(wǎng)或半雙工以太網(wǎng)的媒體訪問是由載波偵聽多路訪問/碰撞檢測（CSMA/CD）確定的。在半雙工的通訊方式下，發(fā)送和接收不能同時(shí)進(jìn)行，否則數(shù)據(jù)會發(fā)生碰撞。站點(diǎn)發(fā)送前，首先要看是否有空閑的信道。發(fā)送時(shí)，站點(diǎn)還會在一段時(shí)間內(nèi)收聽，確保在這一時(shí)間內(nèi)沒有其它站點(diǎn)在進(jìn)行同步傳送，*終本站發(fā)送成功。反之，發(fā)生碰撞，源站點(diǎn)發(fā)送阻塞信號加強(qiáng)碰撞。競爭站點(diǎn)延遲后（延遲時(shí)間由*法確定，是隨機(jī)的）重試。在這種機(jī)制下，所有站點(diǎn)和所有集線器都必須在同一碰撞域內(nèi)。

　　對工業(yè)以太網(wǎng)來說，10Mbps和100Mbps是*常用的。在10Mbps，全部采用雙絞線的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，與距離有關(guān)的概念有兩個，即網(wǎng)段（Segment）和網(wǎng)絡(luò)范圍(NetworkDiameter)。前者指連接兩個設(shè)備（集線器、交換機(jī)或主機(jī)）的距離，后者指網(wǎng)絡(luò)中兩個*遠(yuǎn)端設(shè)備之間的距離。不管是10Mbps或100Mbps的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)段的*遠(yuǎn)距離不能超過100米。考慮網(wǎng)絡(luò)延伸，*有用的規(guī)則就是5-4-3規(guī)則（僅僅針對10Mbps中繼器）。規(guī)則的內(nèi)容如下：一個網(wǎng)絡(luò)*多有五個網(wǎng)段，四個中繼器，不多于三個的混合網(wǎng)段?；旌暇W(wǎng)段指的是同軸總線網(wǎng)段（已淘汰）。由于雙絞線網(wǎng)段的*遠(yuǎn)距離是100米，*大網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)范圍）就是500米。

　　光纖網(wǎng)段的*遠(yuǎn)距離可達(dá)2公里，但I(xiàn)EEE802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，使用光纖，級聯(lián)數(shù)*多不能超過3個，且網(wǎng)絡(luò)末端需使用雙絞線，中間的兩個為光纖網(wǎng)段并保證每個網(wǎng)段不超過1公里。這樣，整個光纖網(wǎng)段長度限制在2公里。

　　5-4-3規(guī)則對100Mbps是不適用的。建議使用100Mbps交換機(jī)。

　　工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境由于種種原因，要選取什么樣的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)才是*適合的呢？交換機(jī)是非常的重要，它把握著一個網(wǎng)絡(luò)的*脈，那么如何選購交換機(jī)？用什么交換機(jī)？例如工作環(huán)境，是否需要冗余，網(wǎng)管和非網(wǎng)管型，未來的維護(hù)和擴(kuò)展性等。

　　1、工作環(huán)境方面的考量：包括溫度范圍、EMC電磁兼容性、防護(hù)等級、安裝方式和電源等。商用以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)計(jì)哪些不適合工業(yè)交換機(jī)的環(huán)境，例如具有極限溫度、高振動以太強(qiáng)電磁噪聲的環(huán)境。

　　2、選用網(wǎng)管型還是非網(wǎng)管型交換機(jī)：如果網(wǎng)絡(luò)比較簡單，可以選用即插即用的非網(wǎng)管型交換機(jī)；如果為了將來維護(hù)方便，可能需要選用網(wǎng)管型，只有網(wǎng)管型交換機(jī)才能做到環(huán)型的拓樸連接。

　　3、還需要滿足相關(guān)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：比如船用的交換機(jī)應(yīng)符合船結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)；如果有危險(xiǎn)場合的應(yīng)用，則要符合相應(yīng)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，軌道交通和公路等交通行業(yè)也有自己的標(biāo)準(zhǔn)。

　　交換機(jī)選購時(shí)，性能方面除了要滿足RFC2544建議的基本標(biāo)準(zhǔn)，即吞吐量、時(shí)延、丟包率外，隨著用戶業(yè)務(wù)的增加和應(yīng)用的深入，還要滿足了一些額外的指標(biāo)，如MAC地址數(shù)、路由表容量(三層交換機(jī))、ACL數(shù)目、LSP容量、支持VPN數(shù)量等。

　　交換機(jī)功能*直接指標(biāo)：一般的接入層交換機(jī)，簡單的QoS保證、安全機(jī)制、支持網(wǎng)管策略、生成樹協(xié)議和VLAN都是必不可少的功能，經(jīng)過仔細(xì)分析，在某些功能進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分，而這些細(xì)分功能正是導(dǎo)致產(chǎn)品差異的主要原因，也是體現(xiàn)產(chǎn)品附加值的重要途徑。

　　網(wǎng)管型交換機(jī)還具有一些能**你網(wǎng)絡(luò)控制能力的**特性。像服務(wù)質(zhì)量（QoS）、虛擬局域網(wǎng)（VLAN）、端口鏡像、IGMPSnooping、冗余與SMMP等特性，通常都只有網(wǎng)管型交換機(jī)才有，大多數(shù)網(wǎng)管型交換機(jī)具備的特性：

　　●　通過國家電網(wǎng)公司招標(biāo)選型A級測試

　　●　符合IEC 61850-3變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)以及IEEE 1613規(guī)范

　　●　支持RIP、OSPF、BGP等多種動態(tài)路由協(xié)議，靜態(tài)路由、IP策略路由

　　●　支持PIM-SM、PIM-DM、DVMRP等多種組播路由協(xié)議。

　　●　3個模塊插槽，10余種業(yè)務(wù)模塊，*多可支持28個百兆光電口可選

　　●　多種通用冗余電源輸入24/48 VDC或110/220 VDC/VAC

　　●　支持冗余環(huán)網(wǎng)保護(hù)BD-EAPS（切換時(shí)間<50ms）,RSTP/STP冗余協(xié)議

　　●　支持QoS、VLAN、IGMP Snooping/GMRP等管理功能

　　●　提供產(chǎn)品實(shí)時(shí)溫度檢測與監(jiān)控，可靈活設(shè)置告警門限值

　　●　工作溫度范圍-40℃～85 ℃

　　●　支持巨幀(Jumbo Frame)*多可達(dá)13K，三層包轉(zhuǎn)發(fā)率9.6Mpps

　　●　支持LLDP鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議， 檢索 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)

　　●　支持三層交換技術(shù)，支持RIP v1/v2、OSPFv2、BGPv4等多種動態(tài)路由協(xié)議，靜態(tài)路由、IP策略路由

　　●　支持PIM-SM、PIM-DM、DVMRP等多種組播路由協(xié)議

　　●　DHCP Opition 82，用于以不同策略分配IP地址

　　●　支持IEC 61850 GOOSE和采樣值等組播報(bào)文傳輸

　　●　支持BD-EAPS和RSTP/STP/MSTP（IEEE 802.1w/d/s）

　　●　支持IGMP Snooping和GMRP過濾多播包

　　●　支持基于端口的VLAN、IEEE 802.1Q VLAN和GVRP協(xié)議， 輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理

　　●　通過 802.1p/1Q和TOS/DiffServ**決策機(jī)制

　　●　采用802.3ad，LACP優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶寬

　　●　支持IEEE 802.1X、http和SSL，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性

　　●　支持SNMP V1/V2c/V3用于不同級別的網(wǎng)絡(luò)管理

　　在選擇一臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)時(shí)的一個關(guān)鍵問題是，選擇網(wǎng)管型還非網(wǎng)管型交換機(jī)。雖然網(wǎng)管型交換機(jī)通常較貴，但它提供了一些額外的強(qiáng)大功能。網(wǎng)管型交換機(jī)包含了非網(wǎng)管型交換機(jī)的特性。

　近些年來，現(xiàn)場總線技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域。它具有實(shí)時(shí)性好、布線簡單、可靠性高的特點(diǎn)，比較適合工業(yè)環(huán)境。但是，它也有自己的缺點(diǎn)，如標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，各個廠商各自為政;傳輸速率低，無法傳輸圖像和語音信息;網(wǎng)絡(luò)互連困難，無法直接與互聯(lián)網(wǎng)相連。這些缺點(diǎn)的存在，嚴(yán)重制約了現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展[1]。

　　當(dāng)現(xiàn)場總線的發(fā)展遇到阻礙時(shí)，以太網(wǎng)技術(shù)卻得到了迅猛的發(fā)展，如今，在Internet和辦公自動化領(lǐng)域，以太網(wǎng)可以說是無處不在。如果能將以太網(wǎng)技術(shù)成功應(yīng)用于工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)，就可以打破傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和辦公自動化網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，實(shí)現(xiàn)真正意義上的管控一體化。本文結(jié)合現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)的各自的優(yōu)點(diǎn)，提出一種新型的網(wǎng)絡(luò)**控制*法，開發(fā)出與此相配套的網(wǎng)絡(luò)控制器。

1 通訊機(jī)制

　　新型的通訊機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖喜捎每偩€型，所有的發(fā)送都是在樞紐控制器的控制下進(jìn)行。只有得到*令幀的指定站點(diǎn)才可以啟動數(shù)據(jù)發(fā)送。系統(tǒng)設(shè)定一個循環(huán)周期T，控制節(jié)點(diǎn)按照優(yōu)先級從低到高輪詢各個站點(diǎn)，當(dāng)輪詢時(shí)間大于T時(shí)，控制將停止這一周期的輪詢，直接進(jìn)入下一個周期。需要注意的是：

　　1. 對高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包，不管隊(duì)列中有多少個未發(fā)數(shù)據(jù)，都要確保發(fā)送完畢，即使周期超過T也要如此。

　　2. 對于中優(yōu)先級和低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包，只有在上一優(yōu)先級的數(shù)據(jù)發(fā)送完全的情況下才能啟動發(fā)送，并且是限制型發(fā)送，一次只能發(fā)送隊(duì)列的前rp個數(shù)據(jù)。

　　利用Matlab仿真的結(jié)果表明，即使在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷超載的情況下，網(wǎng)絡(luò)控制*法仍舊可以保證高優(yōu)先級的控制幀的發(fā)送，因此這個網(wǎng)絡(luò)控制*法是可行的。

2 功能原理

　　網(wǎng)絡(luò)樞紐控制器是整個網(wǎng)絡(luò)體系的核心，它主要有以下兩個功能：一是網(wǎng)絡(luò)控制功能，即協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡(luò)的通訊步調(diào)，避免沖突的發(fā)生，保證重要信息的實(shí)時(shí)性。二是作為通訊網(wǎng)關(guān)，與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共享IP地址，提供內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與外部Internet的接口。

　　2.1實(shí)現(xiàn)控制功能所需要的設(shè)定

　　1. 優(yōu)先權(quán)的等級分類。利用IP數(shù)據(jù)格式[1]中TOS字段前3bit作為標(biāo)志。

　　2. IP編址。假設(shè)所有的控制設(shè)備都處在一個內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中，他們共享一個Internet公網(wǎng)地址202.114.101.58，而內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)是以192.168.0.開頭的一系列內(nèi)部地址。

　　3. 控制幀格式。控制幀是網(wǎng)絡(luò)樞紐控制器控制整個網(wǎng)絡(luò)步調(diào)的數(shù)據(jù)幀，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都應(yīng)該能收到這個數(shù)據(jù)幀，并且在它的指令下進(jìn)行通訊。因此，控制幀必須是一個廣播幀，它的目標(biāo)地址是局域網(wǎng)中的所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

　　在具體實(shí)現(xiàn)中，將控制指令封裝在一個UDP廣播數(shù)據(jù)包中。它的格式如圖1所示：

圖1控制幀格式

　　*令：網(wǎng)絡(luò)樞紐控制器對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送的*令代碼，其中包括通訊復(fù)位，發(fā)送數(shù)據(jù)等。

　　設(shè)備編號：接收*令網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的編號，它與內(nèi)部IP地址相對應(yīng)，如192.168.0.2表示2號設(shè)備，192.168.0.n表示n號設(shè)備。如果是對所有設(shè)備發(fā)送的*令，則置為0xff。

　　數(shù)據(jù)優(yōu)先級：如果*令表項(xiàng)表示允許發(fā)送*令，那么數(shù)據(jù)優(yōu)先級表項(xiàng)就表示對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)該從對應(yīng)的優(yōu)先級隊(duì)列中取出一幀數(shù)據(jù)發(fā)送。

　　為了保證控制幀正常發(fā)送，還需要在上層協(xié)議中設(shè)置如下表項(xiàng)：

　　1. 將Ethernet幀的目的地址設(shè)為0xff 0xff 0xff 0xff 0xff 0xff，確保本以太網(wǎng)內(nèi)的所有網(wǎng)卡都能接收到這幀數(shù)據(jù)。

　　2. 將IP幀中的目的IP地址設(shè)為192.168.0.255，表示這是一個廣播幀。

　　3. 填充TOS為0x94，表示這是一個要求*高可靠性的控制幀。

　　2.2 轉(zhuǎn)換表以及與商業(yè)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換表的區(qū)別

　　網(wǎng)絡(luò)樞紐控制器作為內(nèi)部工業(yè)以太網(wǎng)與外部Internet的橋梁，它的兩個網(wǎng)絡(luò)接口分別連接外部Internet和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)樞紐控制器不但要有轉(zhuǎn)發(fā)功能，而且還要內(nèi)嵌NAT[2]（網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換）功能，因此必須附帶地址轉(zhuǎn)換表。

　　這里不能采用商業(yè)以太網(wǎng)的動態(tài)轉(zhuǎn)換表模式，這是由工業(yè)以太網(wǎng)的特性決定的。首先，在工業(yè)以太網(wǎng)中，大部分的通訊請求都是從外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的（如從外部監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場的參數(shù)），因此，采用動態(tài)轉(zhuǎn)換表就無法建立連接;其次，如果表項(xiàng)是動態(tài)的，它的可靠性就很難得到保證，如果分配*法有漏洞（例如UDP連接，由于沒有握手協(xié)議，所以很難知道它什么時(shí)候開始，什么時(shí)候中止），這樣有可能會誤刪除正在連接的表項(xiàng)，使得通訊無法正常進(jìn)行。所以在實(shí)際的實(shí)現(xiàn)中，采用靜態(tài)的轉(zhuǎn)換表，為每個可能的連接建立一個靜態(tài)表項(xiàng)，對于這個靜態(tài)的轉(zhuǎn)換表，是用專用的配置軟件在PC機(jī)上設(shè)置好，然后通過網(wǎng)絡(luò)下載到網(wǎng)絡(luò)樞紐控制器中，這樣網(wǎng)絡(luò)樞紐控制器就可以按照轉(zhuǎn)換表實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能了。

3 硬件實(shí)現(xiàn)

　　圖2是硬件的結(jié)構(gòu)圖。整個網(wǎng)絡(luò)都在網(wǎng)絡(luò)樞紐控制器協(xié)調(diào)的步調(diào)下運(yùn)作，它的反應(yīng)速度越快，則網(wǎng)絡(luò)的空閑時(shí)間越短，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量越大。因此，在這里選用TI的TMS320VC5402[3]作為它的核心處理器。

　　以太網(wǎng)接口芯片選用Realtek公司的RTL8019AS，這是一款市場上ISA網(wǎng)卡中選用率很高的接口芯片。一共使用了兩片這樣的芯片，一片用于和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通訊，另一片則用于與外部Internet相連。

圖2網(wǎng)絡(luò)樞紐控制器硬件框圖

　　RTL8019AS有三種工作方式：即插即用方式，跳線方式和免跳線方式。為了減少資源占用，這里選擇跳線方式。此時(shí)，RTL8019AS的IO地址由IOS0-IOS3腳決定。地址總線的SA5-SA19中除SA8和SA9接高電平外，其余都接低電平，SA0-SA7與DSP的地址總線的A8-A15相連，這樣，訪問DSP的相應(yīng)IO空間地址就相當(dāng)于訪問兩塊以太網(wǎng)接口芯片中對應(yīng)的寄存器，于是DSP的IO地址就和兩片RTL8019AS能建立地址映射關(guān)系。至此，通過訪問這些寄存器，就可以控制RTL8019AS發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

　　此外，擴(kuò)展一片片外隨機(jī)存儲器ISSI61LV6416，它是用來做通訊緩沖區(qū)，暫時(shí)存放來不及處理的數(shù)據(jù)包。由于TMS320VC5402內(nèi)部沒有集成Flash或EPROM，因此，它不能自舉運(yùn)行。于是采用HPI接口引導(dǎo)DSP，程序存放在單片機(jī)78E54B上。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，78E54B通過HPI接口將程序?qū)懭氲絋MS320VC5402的片內(nèi)RAM中，然后啟動它，這樣DSP就開始工作了。

4 軟件編寫

　　實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制功能要求反應(yīng)速度一定要快，因此這部分程序放在中斷中完成。在硬件設(shè)計(jì)中，把第一片RTL8019AS的中斷與DSP的INT0相連，把第二片的與INT1相連。因?yàn)榈谝黄c內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)相連，所以，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制控制功能的程序主要在INT0中完成。圖3是INT0中斷響應(yīng)程序的框圖。

圖3 INT0中斷響應(yīng)程序

　　系統(tǒng)共有兩片轉(zhuǎn)發(fā)緩沖區(qū)，緩沖區(qū)1用來暫存從內(nèi)部對外的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而緩沖區(qū)2用來暫存從外部對內(nèi)部的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，一塊發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，另一塊填裝數(shù)據(jù)，**了效率。

　　為了保證網(wǎng)絡(luò)控制功能的實(shí)時(shí)性，防止中斷沖突，簡化程序結(jié)構(gòu)，網(wǎng)關(guān)功能的這部分程序就用查詢方式實(shí)現(xiàn)。框圖如圖4所示：

圖4網(wǎng)關(guān)程序框圖

　　需要特別注意的是，在重定向IP地址之后，一定要重新計(jì)*校驗(yàn)和。因?yàn)椴徽撌荌P頭還是TCP和 UDP，IP地址都在他們的校驗(yàn)項(xiàng)之內(nèi)。如果改變了IP地址，那么校驗(yàn)和就要重新計(jì)*，否則，接收到這些數(shù)據(jù)包的設(shè)備就會認(rèn)為校驗(yàn)錯誤，從而拒絕接受。

5 結(jié)論

　　網(wǎng)絡(luò)控制器雖然是*核心的設(shè)備，但是其功能的發(fā)揮還有賴于工業(yè)以太網(wǎng)上相關(guān)控制設(shè)備針對整體的控制策略作出相應(yīng)的改變。工業(yè)以太網(wǎng)中為了生產(chǎn)，執(zhí)行任務(wù)的控制設(shè)備，要在網(wǎng)絡(luò)樞紐控制器的協(xié)調(diào)下完成通訊功能，包括數(shù)據(jù)采集前端、輸出前端、PID前端、執(zhí)行機(jī)構(gòu)前端等。這需要它們速度達(dá)到一定的要求，因?yàn)楫?dāng)它收到控制節(jié)點(diǎn)的發(fā)送指令后，就要迅速將數(shù)據(jù)包送出，此時(shí)它的任何遲延都是整個網(wǎng)絡(luò)的遲延。