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工业网络网关技术

网关、连接设备、交换机、设备服务器、媒体转换器 … 这些概念是不是非常容易混淆 ? 的确,不仅您有这样的疑问,在两种不同网络之间进行通讯是一种挑战。

OSI模型
首先,让我们从针对所有数据通讯的基本模型- OSI 模型开始。
通讯的基本原理是使用 OSI 模型的不同层作为子集。第一层表示最底层,也就是物理通讯线路的电气信号。第 7 层是用户层,在这一层两种设备才能交换和理解相互之间的数据。一个简单的例子是我们不仅需要听到其他人讲话,还要理解对方的语言,这就相当于理解 “ 数据 ” 的含义。使用相同的第 7 层协议的设备,就像说一种语言一样能够自由地交换和理解数据。

基本的 RS-232 接口仅仅定义了第一层,能够确保两个 RS-232 设备之间进行电气连接而不会造成电气冲突。但是要在两个设备之间进行通讯和数据解释,则需要两个设备都使用相同的协议,来定义通讯规则和数据格式。

目前在汽车行业比较流行的 CAN 协议,也仅仅是第 2 层协议。在汽车中,制造商使用 CAN 作为通讯链路,但可以将自己的第 7 层协议添加到 CAN 使得汽车中的所有通讯节点能够相互理解。而任何该车以外的 CAN 节点,如果不是使用相同的协议,是根本不能参与车内的通讯的。

在工业现场不同制造商的 CAN 设备需要进行互联因此基于 CAN 定义了开放式的第 7 层协议,例如 DeviceNet 和 CANopen 。因为使用了相同的第 7 层协议,两个来自不同制造商的 DeviceNet 节点是可以相互通讯和交换数据的。

以太网和 TCP/IP 协议覆盖了 OSI 模型的 1-4 层,因此提供了比 CAN 技术更多的功能和更强的性能。两个以太网节点可以进行通讯互联,但是 TCP/IP 仅仅提供了数据传输机制和服务任务,例如建立连接、处理错误重发等。虽然两个使用以太网 TCP/IP 的节点能够相互对话,但不能理解对方的话语,因为它们没有说同一种 “ 语言 ” -即第 7 层协议不是由 TCP/IP 定义的。在 TCP/IP 之上还必须有应用层例如 SNMP, HTTP, FTP 等用于交换和处理网络上的各种数据。所有的 IT 协议都是在第 7 层进行标准化的。在工业领域还有附加的第 7 层协议来处理实时数据交换和设备行规等。两个典型的实例就是 EtherNet/IP (IP = Industrial Protocol) 和 Modbus-IDA (Interface for Distributed Automation) ,它们都是用于 TCP/IP 之上的协议。

好的,有了这些信息作为背景知识,让我们来看一下如何将一种网络转换至另一种。

媒体转换器和重复器
媒体转换器通常工作在 OSI 模型的第 1 层和第 2 层。它们做的是将电气信号从一个物理媒体转移到另一个物理媒体。例如 RS-232 <-> RS-422 转换器就是在这两种不同电气信号之间进行转发。另一个例子是以太网 100Mbit CAT5 Cable <->100Mbit 光纤转换器。

媒体转换器在工业场合种十分有用,可从一种物理媒体转发至另一种,但仅仅是信号的转发,而不进行任何应用层的附加功能。

当信号通过很长的电缆进行传输的时候,就会减弱和畸变,我们称之为衰减。如果电缆长到一定程度,衰减最终会导致信号无法识别。重复器就是用来使信号传得更远。它工作在 OSI 物理层来重新生成通讯信号并将其重发到其它网段。

重复器主要用于延长网络上节点之间的通讯距离。 重复器将减弱的信号从一个段获取并进行重新生成,然后转送到下一个段。重复器既不翻译也不过滤任何信息。只有两个段使用相同的访问方法的时候才能使用重复器。

例如,重复器是不能连接一个使用 CSMA/CD ( 以太网 ) 的网段和一个使用令牌的网段。

工业以太网交换机
交换机可看作为智能重复器。它们将物理层信号放大,但同时还提供对所接收包的智能分析。具有存储和转发技术的以太网交换机可查看收到的整个数据帧及其端口。先通过 CRC 校验检查通讯位是否被破坏,如果校验错误则将这帧数据丢弃。如果 CRC 校验成功,交换机将查看目的地址并将数据帧转发至目的帧所在的端口。

设备服务器/网桥
设备服务器也称作网桥,网桥工作在 OSI 模型的 1-4 层。它进行连接建立、重发和错误处理等。数据可以方便地通过网桥进行交换,但是是以匿名数据块进行发送的。第 4 层本身没有数据处理机制。

对于以太网,设备服务器非常多地用于将串行网络,例如 RS-232 桥接到以太网。设备服务器具有完整的 TCP/IP 协议栈,在它的串口侧,串口数据封装在 TCP/IP 帧中,然后通过以太网传送。这听上去有些像媒体转换器,但设备服务器进行了更复杂的时序和协议处理。

如果串口服务器于基于 PC 的系统通讯, PC 通常运行应用软件来从 TCP/IP 帧中提取数据。 PC 上的软件将创建一个虚拟的串口用于与设备通讯。这种方式不需要向原有的应用添加任何新功能,就可将数据在 PC 和设备之间进行透明传输,既便需要对软件和硬件进行改动,也非常少。大多数情况下,最终用户看不到直接的串行连接,它已被以太网上的虚拟端口所取代。

使用这种方式,设备服务器可以实现将位于很远的 PC 通过以太网与串行设备交换数据。


如果使用工业中常用的 PLC, 则需要两个设备服务器。一个在设备侧将串行设备封装至 TCP/IP 帧,另一个在 PLC 侧将数据从 TCP/IP 帧中还原。

设备服务器在基于消息的网络中能够很好地工作,在这种情况下非循环的数据包能够被传送到其它类型的网络上,保持其原有的结构和格式。

然而,大多数工业应用还需要处理 I/O 数据传输,也就是用于快速更新的循环数据来实现实时数据通讯。所有这些协议都需要第 7 层协议来桥接不同的网络。

设备服务器的另一个限制是缺少基于 Web 的数据处理。很多设备服务器具有内置 web 服务器用于其自身的配置,但事实上第 4 层协议是不能处理数据值的。因此也不可能在内置 web 服务器上通过 SSI 脚本或 Java applets 显示应用数据。

还有一种网桥能够将串行接口数据转换至某些现场总线,例如Profibus。这听上去与我们下面要讨论的网关极为相似。但它的工作原理还是网桥,因为它不能够对数据进行应用层的解析,而只是将串行报文整体作为Profibus的数据进行转发。这类网桥产品的缺点是其自身不能处理串行报文的帧格式和收发机制(如:扫描周期、超时时间、重发次数等),而这些任务都需要现场总线的主站(如PLC)来完成。从而增加了总线的负担,降低了实时性和可靠性。

网关(第7层网关)
网关可实现不同结构和协议的通讯之间的互联。它们可以实现在不同网络之间进行重新打包和格式转换,因此一种网络能够理解其它网络的应用数据。

网关将信息重新打包以符合目的系统的需要。网关能够修改报文的格式因此可以符合接收端的应用程序。网络通常用来连接两个不可能使用相同通讯协议和数据格式的系统。

网关集成了 OSI 模型 1 至 7 层的全部内容。这就实现了真正意义上两个网络之间的数据翻译和处理,并达到了真正联接两个网络的目的。通过网关桥接以太网和其它协议,例如 DeviceNet, Profibus 或简单的串行协议,可以实现在内置 web 服务器中使用网络数据,真正实现基于 web 的监测和控制。

关于将串口数据转换至以太网或其它网络,有必要进行进一步的解释。事实上串口协议是不具备完整 7 层协议的,这使得数据连接有些困难。例如条码阅读器这种设备仅仅传送内置于特定设备的 ASCII 数据。

串行网关
将RS-232/422/485设备接入现场总线或工业以太网,可以由“串行网关”来实现。Anybus Communicator 串行网关利用数据缓存区的方式来解决转换问题。从串行设备来的数据被映射到网关的本地存储区中,通过一个配置工具软件,网关可以定义在串行数据流中哪些字节是纯数据而哪些是命令控制信息。被选中的纯数据被映射到另一侧网络的第 7 层,因此可以被网络上其它节点所接收和理解。

这种解决方案的一个很大好处就是网关相当于一个网络设备,由于其内置了一个嵌入式网卡。这样网关将所选择的数据字节转换为 PLC 和现场总线系统所能理解的格式。这样串行设备就被看成为现场总线网络上的其它设备(如I/O模块)一样。

Anybus Communicator 网关更高级的功能是它还可以通过 Modbus RTU 等协议主动地与设备进行控制和通讯,并将特定的数据连接到 Profibus 或以太网等工业网络上。它也可以被用于 web 网关位串口设备提供基于 web 的管理、监测和控制功能。

Anybus Communicator -现场总线/工业以太网串行网关

网络-网络网关
随着对工厂级网络灵活性和多样性需求的不断增加,网络之间的互联显得越来越重要。工业网关为联接不同现场总线网络提供了一种解决方案,无论是同在一个工厂或是与工厂以外。 Anybus X-gateway 系列是联接任意两种现场总线网络的网关产品。请浏览相关页面了解如何使用 Anybus X-gateway ,简单地实现 I/O 数据交换,将新旧网络进行联接并相互通讯。

Anybus X-gateway 联接任意两种网络的网关

总结
在两个网络之间进行通讯并非简单的问题,分析具体的应用需要是十分重要的。

当需要解决两种网络之间不同媒体之间转换的情况时,媒体转换器是很好的选择。其设置也通常非常简单。

当遇到基于以太网的网络和基于 PC 的监测时,设备服务器是很有吸引力的方案。

网关能够解决所有两个网络之间的数据联接问题。网关需要在安装的时候进行设置和定义所需连接的两种网络数据。

要想将串行数据从专用协议提取到 web 中,必须使用支持全部 7 层协议的网关产品来解释纯数据并将其连接到 web 服务器。

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