工业自动化中常见的几种网络拓扑结构

　　工业自动化和物联网背景下的网络拓扑结构主要是指节点和设备（如传感器、执行器、智能电机、驱动器和控制器）以及交换机、集线器和网关之间的硬接线通信连接的布局。机器或大型工厂装置所用网络拓扑结构决定了：

• 　　系统通信稳定性和速度
• 　　工业网络所拥有的冗余量和恢复时间
• 　　最重要的连接恢复能力（在网络中的某些链路发生故障后）。

　　本文解释了几种网络拓扑结构，包括各种环形拓扑结构，以及一些专有的拓扑结构和它们的使用范围。

图 1：这里展示的是工业网络拓扑结构的主要家族。（图片来源：Design World）

　　更多关于工业网络拓扑结构类型的信息

　　工业自动化网络的拓扑结构是指归类为链路（有线布局中的电缆连接）和节点的网络组件彼此之间的布局方式。节点是指可以作为再分配点或通信端点的设备。相反，链路是节点连接的手段——无论是有线还是无线。链路可以是：

　　单工——只允许单向通信

　　双工——允许在两个方向同时进行通信

　　半双工——允许任何方向的通信，但一次只能有一个方向

　　一个网络的拓扑结构就是节点通过链路连接的方式。布局有很多。

　　总线网络拓扑结构：采用总线拓扑结构的网络有一条主要的电缆“轨道”（称为总线），每个节点都独立地连接到它，或在许多行业参考文献中称为“分支”。

　　星形网络拓扑结构：采用星形拓扑结构的网络是围绕着一个节点以集线器的形式集中进行的。然后，其他节点通过其链路连接到集线器。星形拓扑结构在省电方面也有一些优势，因为个体设备只需间歇性传输，可以关闭电源，只有集线器需要持续供电。

　　网状网络拓扑结构：这是具有完全连接拓扑结构的网络，将每个节点连接到每个其它节点。采用网状拓扑结构的网络（如完全连接的布局）基于去中心化的连接，每个连接均采用以同样的方式，但并不要求每一对节点都是连接的。不是每个节点都连接到其他节点的设置，有时称为部分连接的网状网络。

　　无线网络通常使用网状拓扑结构，因为这些拓扑结构坚固而安全，并且降低了功耗。这对于拥有电池供电型节点的网络来说是一个有用的功能。网状网络还可以在即定布线量下提高网络范围，因为单个链路可以比整个网络短。这对拥有许多低功耗传感器的大型物联网来说是有利的。也许最重要的是，采用网状拓扑结构的网络提供了最高的灵活性和冗余度——尤其是在完全连接的情况下。有一点需要注意的是，从链路故障中恢复可能很慢，因为系统必须在网状结构中找到一条新的路径——可能需要重新配置断裂链路周围的端口。对于有线网络，额外的电缆和端口也使得网状拓扑结构更加昂贵。

　　环状网络拓扑结构：采用环形拓扑结构的网络将每个节点与相邻的两个节点按顺序连接起来，形成一个环。这也称冗余环，因为链路可以只在使用时才启用。

　　深入研究工业自动化的环形拓扑结构

　　环形拓扑结构的网络具有良好的数据传输率，并能从链路故障中迅速恢复。电缆费用也相对较低。难怪环形拓扑结构通常是有线工业自动化网络的主要选择。在一条冗余链路被禁用的情况下，环形网络可有效形成一条线路，并能提供快速和有效的通信。在链路故障期间，没有复杂的重新路由。相反，冗余链路激活也简单——且所有其他链路继续使用系统的默认端口路由。

　　考虑传输控制协议 （TCP） 和用户数据报文协议 （UDP） 中常见的环形拓扑布局。通过 TCP 和 UDP IP 协议，互联网连接成为可能，因为每个设备都有一个 IP 地址。这些 IP 地址允许系统将数据包从一个地址路由到另一个地址。数据包包含实际数据并在报头中带有附加信息，其中包括目的地 IP 地址。

　　TCP（通常称为 TCP/IP）控制数据包如何在其目的地重新组合。这样做的先决条件是有来自发送方和接收方的通信。发送方在报头中包括序列号，而接收方必须返回一个确认收到数据包的消息。如果数据包没有被确认，它们就会被拒收。设备还会在每个数据包头中使用校验和来检查数据包的错误。这种 TCP 过程确保了可靠的数据交换，但也造成相对缓慢的来回通信过程。相比之下，UDP（较新的 IP 协议）允许在 IP 地址之间进行更简单和快速的数据传输。接收方设备不需要确认收到数据包，所以速度更快，代价是可靠性略有下降。

　　冗余挑战和补充解决方案

　　基于以太网的系统中的网络管理协议补充了冗余功能，以在确保数据有效的同时避免桥接环路出问题，并避免引起广播辐射。基本上，桥接或交换环路是不必要、有问题的重复数据传输。这些环路造成了设备之间的重复连接传播——当网络在两个通信的网络节点之间有多条路径时就会发生。

图 2：在工业自动化领域，环形拓扑结构速度快，能从链路故障中快速恢复。（图片来源：Design World）

　　桥接环路会造成重复的数据重播，这反过来又会造成网络过载和网络速度急剧下降。这个问题最容易出现在有大量冗余的系统中。

　　链路聚合使用平行的以太网电缆和端口来增加带宽和加速恢复。这意味着当一条链路发生故障时，连接不会丢失，但一些数据可能会丢失，带宽也会减少。电缆通常因某些机械因素损坏而失效，平行电缆应沿不同路径布线，这大大增加安装成本。这种简单的方法被标准化为链路聚合控制协议 （IEE 802.1ad）。

　　既能保持冗余的优势，又能避免桥接环路。在这里，解决方案是具有平行物理环路的拓扑结构，辅之以通过使用网络管理协议有选择地禁用链路的能力。然后，如果一条活动链路发生故障，逻辑拓扑结构就会扩展到包括一条冗余链路——并围绕故障链路进行重新路由。生成树协议 （STP）、快速生成树协议 （RSTP） 和各种专有环形协议都提供了这种网络管理功能。请注意，生成树是这些协议中创建的无环路逻辑拓扑的另一个名称；不属于生成树的链路被禁用。

　　STP 和 RSTP 适用于网状和环状拓扑结构，为大多数应用提供了适当的快速恢复时间。也就是说，最苛刻的工业自动化应用往往要求极快的恢复时间，只有专有的环形协议才能做到。

　　专有环形协议抽样

　　顾名思义，专有环形协议是特定于网络硬件制造商的。例如，某些 Red Lion N-Tron 交换机使用 N-Ring 专有环形协议。这些专有协议控制网络环路并处理链路故障，提供了替代 STP 或 RSTP 的选择。

　　如前所述，环形拓扑结构主要用于物理接线的工业自动化网络，因为其延迟低，能够提供最高的可靠性，所以具有最快的数据传输和链路故障恢复速度。冗余是恢复链路故障的关键。关键是，冗余会导致重复数据出现循环问题。要防止这个问题，就必须要有能够防止环路和快速恢复链路故障的网络协议——特别是对于不能容忍停机的工业自动化操作。对于这种需要保持快速故障恢复时间的应用，专有的环形协议往往是最合适的选择。

　　考虑一下几个最广泛使用的专有环形协议。

　　HiPER 环在 1999 年由 Hirschmann 和西门子发布，是一种专有的环形协议。它现在在 IEC 62439 中得到了标准化，有一个通用的名字叫媒体冗余协议 （MRP）。它可以支持多达 200 个节点。尽管标准版本的恢复时间为 500 毫秒，但 Fast HiPER 环声称其恢复时间为 60 毫秒，更具竞争力。

　　弹性以太网协议 （REP） 是思科的专有协议，Rockwell Automation 和 Westermo 也在使用。REP 提供快速和可预测的网络行为，并声称恢复时间低至 20 毫秒。REP 有一些局限性，即不是即插即用的，不能自动防止环路。相反，REP 必须经适当配置才能提供这些功能。REP 的工作原理是创建链在一起的端口集合——采用称为网络段的序列形式。

　　X-ring 是 Advantech 的专有环技术，其声称的最快恢复时间可能只有 10 毫秒。这里需要注意的是，X-ring 仅限于有 20 个或更少节点的相对较小的网络。

　　前面提到的 Red Lion 专有 N-Ring 协议具有 30 毫秒的恢复能力和支持大型网络的能力——最多可支持 250 个节点。

　　上面列出的速度范围相当大是有原因的。虽然 TCP 和 UDP 网络协议的速度略有不同，但工业网络的拓扑结构和管理协议对网络速度的影响要大得多。例如，STP 冗余环网络在 TCP 上的恢复速度为 30 至 90 秒，在 UDP 上的恢复速度为 10 至 50 秒；RSTP 将这些值减少到 1 至 3 秒。网状网络的恢复时间甚至更高。相比之下，某些专有的环形网络在 TCP 上仅需 0. 3 秒就能从链路故障中恢复，在 UDP 上仅需 0.2 秒。实际上，一些制造商声称其专有环形网络的恢复时间要好得多，有时甚至在 10 毫秒之内。

　　关于工业自动化中环形拓扑结构总结

　　环形拓扑结构在有线工业自动化网络中很常见。其低延迟和顶级可靠性通常要辅之以专有方法来防止循环和处理链路故障，比传统的 STP 或 RSTP 更好。