在當今世界，以太網速度驚人而且相對可靠，不管是有線和還是Wi-Fi形式，都已為各個年齡段和不同技術能力的人所熟悉，人們很容易就認為：工業自動化系統可以連接到任何可用的網絡設備。畢竟，人們經常將他們的便攜式設備、娛樂電子產品甚至家庭自動化組件連接到本地網絡，然后再連接到云，而且大多數的效果都很好。

　　使用“大多數”這個詞的原因，也是工業解決方案必須指定工業產品的原因。雖然對一般消費者來講，任何網絡設置故障通常比問題更令人討厭，但工業系統則不同，它們在不斷通過以太網處理時間敏感數據，在某些情況下甚至是輸入/輸出(I/O)信號。在某種程度上，這些信號通常是可選功能，只是提供監視信息，但響應式I/O和聯鎖信號是避免設備損壞、產品浪費和數據丟失所必須的，同時還能保護人員安全。

　　工業網絡交換機由強大和冗余的電源供電，并與優質介質和配件相連，各種價位都有，可以隨時購買。但用戶必須主動做出基本選擇，是選擇非管理型交換機——對于某些應用來說這已經足夠了，還是選擇管理型交換機——可以提供顯著的運營優勢，但采購和配置成本更高。本文著眼于讓設計人員確定是否可以使用非管理型以太網交換機，以及何時需要管理型交換機。

　　工業級交換機

　　雖然有數據中心以太網交換機可用，旨在滿足嚴格的性能要求，但安裝在現場環境中的任何交換機都需要承受更高的極端溫度、振動和電氣噪聲抗擾度。早期試驗性質的工業級以太網交換機，是小批量的專業產品，并且比同類商用產品貴得多。

　　隨著以太網在工業自動化所有層級中的普遍應用，從現場信號到控制器和監控層都實現了規?；a，工業交換機的價格也更具競爭力。改進的電子設備降低了功耗和發熱，這樣就可以不必配置容易出現故障的風扇。設計人員在選擇網絡硬件時，具有更大的自由度，這樣他們就可以根據需要，輕松建立從現場到控制盤臺再到服務器機房的連接。這樣，除了可以節省幾美元之外，幾乎沒有任何理由不使用工業級交換機。

　　但什么時候選擇基本的即插即用非管理型交換機，或者什么時候轉向管理型交換機，并不總是那么顯而易見。負責選擇自動化網絡組件的運營技術(OT)人員，并不總是非常熟悉信息技術(IT)概念以及與管理型交換機的相應優勢。

　　何時選擇管理型交換機？

　　對于一個典型的原始設備制造商（OEM）的工業設備：由帶I/O的可編程邏輯控制器（PLC）、人機界面（HMI）和其他各種智能設備實現自動化，小型非管理型工業交換機通常是最好的選擇，其價格可以低于100美元。這些設備易于使用，提供足夠的網絡速度，可用于銅或光纖介質。對于簡單的、預算不多的項目，它們可能是最好的方式。

　　但是，一旦互連的設備數量增加，或者以前獨立的自動化設備與工廠內與局域網(LAN)內的數十或數百個其它系統和智能設備相互連接，可能會出現更嚴重的網絡問題。家庭或辦公室環境中的網絡，流量過載和其它網絡問題，可能只會造成電子郵件發送延遲或視頻播放速度降低，直到問題得到解決。然而，在工業控制網絡上，流量過載會導致設備運行不正常。

　　有如下5種最常見的情況，如果滿足一項或多項，就需要管理型交換機：

　　● 增強的流量過濾；

　　● 網絡冗余；

　　● 全面的安全保障；

　　● 更深入的故障排除和診斷信息；

　　● 為用戶和自動化平臺提供更好的整體網絡“意識”。

　　更好的通訊

　　為了最大限度地減少網絡延遲、提高網絡的確定性水平，必須將通信數據包從源設備傳輸到目標設備。當數據包傳輸到不需要的地方時，目標設備就需要消耗資源來處理數據包，從而延遲對關鍵通信的處理。

　　現代非管理型交換機可以實現一定程度的數據包過濾，或多或少的可以緩解這個問題。但非管理型交換機，無法有效識別并過濾很多類型的數據包，因此這些設備最終會將不需要的數據包轉發到所有相互連接的設備上。

　　在商業和工業環境中，管理型交換機具有多項功能可以實現流量過濾：

　　● 多播過濾：在控制系統中多播數據包很常見，由非管理型交換機不加選擇地轉發。管理型交換機執行因特網組管理協議(IGMP)，通過偵聽了解何時需要這些數據包并有選擇地轉發。

　　● 虛擬局域網(VLAN)：管理型交換機提供VLAN，因此用戶可以在同一個物理裝置上實現邏輯分隔網絡流量。這可以有效地對設備進行分組，因此每個組都不會收到來自其它組的流量。

　　● 流量優先級：使用服務質量(QoS)功能，使設備可以確定所發送數據包的優先級，這樣管理型交換機就可以根據其優先級來依次處理每個數據包。

　　上述功能假設網絡正常運行，但必須綜合考慮各個方面以克服任何硬件或介質（布線）故障。

　　冗余建議

　　一個基本的非托管以太網網絡，只允許在網絡上的任何兩個設備的端口之間，建立一個點對點連接或路徑。在此網絡上，如果設備之間的多條路徑形成環路，則數據包會在環路中無休止地循環，從而引發網絡風暴，遲早會使網絡的流量不堪重負。然而，單一路徑的后果是任何硬件、電源或電纜故障都會造成通信中斷。

　　相對于非管理型交換機，冗余功能是管理型交換機的一個顯著優勢。兩種常見的方法是：

　　● 快速生成樹協議(RSTP)：這種基于IT的協議，允許設計人員在網絡上創建多條路徑，從而創建環路，因為管理型交換機可以使用RSTP來確定和控制應使用哪條路徑，以及在檢測到故障時應該切換到哪條備用路徑。這么做可以避免網絡風暴，但RSTP可能因響應太慢而無法有效的服務于自動化應用。

　　● 環路協議：環路協議可用于連接環形布置的交換機，它從網絡故障中恢復的速度比RSTP快得多，快到可以在很多關鍵的自動化應用中使用。環路協議沒有實現標準化，只能用某些品牌和型號的交換機實現。　　

       雖然升級到管理型交換機以及安裝額外電纜線路需要增加成本，但擁有多臺交換機的工業自動化項目，通過實施環路協議可以獲得更大的網絡彈性。

　　卓越的安全性

　　在任何網絡中都需要防止意外或惡意活動，這對于運行物理設備并包含有價值數據的自動化網絡而言至關重要。非管理型交換機轉發數據包，但管理型交換機可以通過以下方式提供額外的保護：

　　● 端口控制：用戶可以禁用未使用的端口以限制未經授權的訪問。

　　● 管理和瀏覽器安全性：這些設置包括密碼和使用SSL的行業標準HTTPS，可確保未經授權的人員或應用程序無法中斷交換機和網絡設置。