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为何网管型比非网管型工业交换机受欢迎，应该怎么选？

2021-05-12

网管型和非网管工业交换机在各个方面存在差异，包括控制器和成本。与非网管型工业交换机相比，网管型工业交换机具有更多的功能，但是它对人员有一定的要求，需要具备专业的知识才能驾驭得了。管理型交换机可以更好地管理经过它的网络和数据帧流量。非网管型工业交换机，另一方面，主要基本功能就是提供连接设备进行互相通信。

 

工业自动化系统需要强化网络设备来提供所需的可靠性能和网络安全性。设计人员需要考虑非管理型交换机是否能够满足需求，或者是否需要升级到管理型交换机。

 

在当今世界，以太网速度惊人且相对可靠，无论是有线还是 Wi-Fi 形式，所有年龄和技术能力的人都熟悉，很容易想到：工业自动化系统可以连接到任何可用的网络设备。毕竟，人们经常将他们的便携式设备、娱乐电子设备甚至家庭自动化组件连接到本地网络，然后连接到云端，并且大多数都可以正常工作。

 

之所以使用“最”二字，也是工业解决方案必须指定工业产品的原因。虽然任何网络设置故障通常比普通消费者更烦人，但工业系统却不同，它们不断处理时间敏感数据，在某些情况下甚至通过以太网处理输入/输出 (I/O) 信号。这些信号通常在一定程度上是可选的，只是提供监控信息，但需要响应式的 I/O 和信号联锁，以避免设备损坏、产品浪费和数据丢失，同时也保护人员安全。

 

工业网络交换机由强大的冗余电源供电，并与高级媒体和附件连接性兼容，可在所有价位上购买，并且可以随时购买。但用户必须主动做出基本选择，是选择非网管型交换机(这对于某些应用程序可能就足够了)，还是选择网管型交换机，它具有显着的运营优势，但获取和配置成本更高。本文重点介绍如何让设计人员确定是否可以使用非网管型以太网交换机，以及何时需要网管型交换机。

 

工业级交换机

 

虽然有一些数据中心以太网交换机可以满足严格的性能要求，但安装在现场环境中的任何交换机都需要承受更高的极端温度、振动和电气噪声抗扰度。工业以太网交换机是小批量的专业产品，比同类商业产品贵得多。

 

随着以太网在工业自动化各个层面的广泛应用，从现场信号到控制器和监控层都实现了规模化生产，工业交换机的价格也变得更具竞争力。改进的电子设备降低了功耗和热量的产生，消除了对容易出现故障的风扇的需求。设计人员在选择网络硬件方面有更大的自由度，因此他们可以根据需要轻松建立从现场到控制台再到服务器机房的连接。这样，除了节省几美元之外，几乎没有任何理由不使用工业级交换机。

 

但是，何时选择基本的即插即用非网管型交换机或何时迁移到网管型交换机并不总是很明显。负责选择自动化网络组件的运营技术 (OT) 人员并不总是非常熟悉信息技术 (IT) 概念和管理型交换机的相应优势。

 

什么时候应该选择网管型交换机？对于典型的原始设备制造商 (OEM) 工业设备：由具有 I/O 的可编程逻辑控制器 (PLC)、人机界面 (HMI) 和各种其他智能设备实现自动化，小型非网管型工业交换机通常是最佳选择，它们可以花费不到 100 美元。这些设备易于使用，并为铜线或光纤介质提供足够的网络速度。对于简单的低预算项目，它们可能是最好的选择。

 

然而，一旦互连设备的数量增加，或者以前独立的自动化设备与工厂内和局域网(LAN)内的数十个或数百个其他系统和智能设备互连，可能会出现更严重的问题。网络问题。家庭或办公室环境中的网络、流量过载和其他网络问题可能只会导致发送电子邮件的延迟或减慢视频播放速度，直到问题得到解决。然而，在工业控制网络中，流量过载会导致设备运行异常。

 

最常见的有以下 5 种情况，如果满足其中一种或多种，​​则需要管理型交换机：

  • 增强的流量过滤；
  • 网络冗余；
  • 全面的安全性；
  • 更深入的故障排除和诊断信息；
  • 为用户和自动化平台提供更好的整体网络“感知”。

 

更好的通讯

 

为了最小化网络延迟并提高网络中的确定性水平，有必要将通信数据包从源设备传输到目标设备。当数据包到达不需要的地方时，目标设备会消耗资源来处理数据包，从而延迟关键通信的处理。

 

现代非网管型交换机可以实施某种级别的数据包过滤，以或多或少地缓解这个问题。但非网管型交换机无法有效识别和过滤多种类型的数据包，因此这些设备最终会将不需要的数据包转发到所有连接的设备。

 

在商业和工业环境中，管理型交换机具有多种功能来实现流量过滤：

 

组播过滤：组播数据包在控制系统中很常见，由非网管型交换机不加选择地转发。管理型交换机实施互联网组管理协议 (IGMP)，了解何时需要这些数据包，并有选择地转发它们。

 

虚拟局域网 (VLAN)：网管型交换机提供 VLAN，因此用户可以在逻辑上分离同一物理设备上的网络流量。这有效地对设备进行了分组，因此每个组都不会接收来自其他组的流量。

 

流量优先级：使用服务质量 (QoS) 功能允许设备对发送的数据包进行优先级排序，以便网管型交换机可以根据其优先级依次处理每个数据包。

 

上述功能假设网络运行正常，但必须考虑所有方面以克服任何硬件或介质(布线)故障。

 

冗余建议

 

基本的非网管型以太网仅允许网络上任意两个设备的端口之间的点对点连接或路径。在这个网络上，如果设备之间的多条路径形成一个环路，数据包将在环路中无休止地循环，从而导致网络风暴，迟早会使网络不堪重负。然而，单一路径的后果是任何硬件、电源或电缆故障都会导致通信中断。

 

冗余是网管型交换机相对于非网管型交换机的显着优势。两种常见的方法是：

 

快速生成树协议 (RSTP)：这种基于 IT 的协议允许设计人员在网络上创建多条路径，从而创建环路，因为网管型交换机可以使用 RSTP 来确定和控制应该使用哪条路径，以及应该切换到哪个备用路径检测到故障。这样做可以避免网络风暴，但 RSTP 可能太慢而无法有效地服务于自动化应用程序。

 

环路协议：环路协议可用于连接排列成环的交换机。它从网络故障中恢复的速度比 RSTP 快得多，可用于许多关键的自动化应用程序。环路协议没有标准化，只能使用某些品牌和型号的交换机来实现。

 

卓越的安全性

 

对于运行物理设备并包含有价值数据的自动化网络来说，防止任何网络中发生意外或恶意活动的需求至关重要。非网管型交换机转发数据包，但网管型交换机可以通过以下方式提供额外保护：

 

端口控制：用户可以禁用未使用的端口以限制未经授权的访问。

 

管理和浏览器安全：这些设置包括密码和 SSL 的使用行业标准 HTTPS 确保未经授权的人员或应用程序不会破坏交换机和网络设置。

 

更深入的诊断

 

当网络问题确实发生时，技术人员需要尽快提供有用的信息以进行故障排除。非网管型交换机通常不支持此类诊断，但网管型交换机可以通过多种方式提供必要的可见性：

 

端口监控：对于详细的故障排除，此功能允许技术人员识别要检查的端口，以便将该端口的所有数据镜像到另一个可用端口。用户可以将他们的 PC 连接到镜像端口，并使用 Wireshark 等软件来检查数据包的内容。

 

网络统计：网管交换机的配置中提供了网络统计页面，用户可以通过网络浏览器连接和访问这些页面，前提是他们有适当的授权。这些页面上的数据可以帮助识别损坏的数据包，例如由现场接线错误引起的数据包。

 

丰富的意识

 

流量、冗余、安全和诊断很重要，但如果自动化系统和用户没有察觉到问题，他们就无法在问题变得更糟之前预防问题。正确的管理型交换机可以提供意识，以支持更智能、自动化的决策，尽快让技术人员参与进来，但仅限于必要时。

 

有很多方法可以通过管理型交换机将网络感知集成到自动化系统中：

 

Modbus TCP 和 EtherNet/IP：用于工业自动化应用的管理型交换机可以提供诊断标签，PLC 可以使用 Modbus TCP 或 EtherNet/IP 协议通过以太网读取这些标签。如果网络出现问题，PLC 可以使用此信息采取措施，例如停止设备或通过 HMI 通知操作员。更高级的管理型交换机允许使用这些协议实现完整的管理功能。

 

简单的网络管理协议 (SNMP)：当网管型交换机包含 SNMP 时，用户可以使用许多软件工具来查询或接收交换机生成的“陷阱”，并指示硬件健康状况或其他网络事件。

 

报警输出：对于喜欢简化和不使用交换机通信协议的用户，一些工业管理型交换机提供硬接线继电器输出，通过PLC数字输入报告电源冗余故障。

 

生成树或环形网络状态：当生成树或环形网络状态发生变化时通知用户很重要，因为这表明正常网络路径出现故障。管理型交换机可以将此类问题报告给自动化系统，因此可以提示用户在导致网络故障之前识别和修复主要问题。

 

媒体访问控制 (MAC) 表：家庭环境中的个人网络和零售场所中的商业网络，其中许多新用户可能进出。另一方面，工业网络通常具有稳定数量的客户端。因此，技术人员可以通过监控交换机维护的 MAC 标识表来检测意外变化。

 

当自动化系统命令阀门移动或电机运行时，终端设备可以通过传感器进行监控，以便验证操作 - 如果失败，则会发出警报。使用网管型交换机，设计人员可以使用来自交换机的反馈来执行类似的网络操作闭环验证。

 

采取这些步骤可确保最佳网络意识，使自动化系统能够采取行动并让用户了解情况。关键系统的运行尤其需要这种保护级别。

 

转向管理型交换机

 

非管理型交换机可以在低优先级网络限制下经济高效地将少量设备连接在一起。但是，对于大多数自动化应用程序而言，与非网管型交换机相比，迁移到网管型交换机的成本增加并不是主要考虑因素。

 

对于许多应用程序，设计人员应考虑网管型切换当前和未来的优势，并根据以前使用非网管型交换机的场景识别网管型交换机。

 

与简单的即插即用非管理型交换机相比，管理型交换机确实需要更多的用户配置。但是，浏览器界面和配置指南大大简化了这项任务，这意味着 OT 人员无需 IT 参与即可配置和管理工业网络。

 

与大多数任何类型的工业自动化项目一样，用户可能会发现管理型交换机虽然价格更高，但在自动化系统的操作、安全和维护方面具有显着优势。

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