工業以太網交換機核心模塊技術剖析

[摘要]工業以太網核心模塊能夠在快速，協作的個性化EDA設計中方便用戶的二次開發，將多個站點的以太網信號復合到環形光纖鏈路中傳輸。支持對光纖環路的自動檢測和倒換，倒換時間不大于100ms。模塊的MAC口速率100Mbit/s符合IEEE802.3標準，支持VLAN幀傳輸，可連接交換芯片。具有10M/100M自適應以太網環網結構，支持全局網管。整個模塊電路由大規模FPGA和工業級芯片組成，FPGA程序自主開發并擁有技術產權。模塊尺寸小巧，接口功能強大，使用工業級元件生產。模塊支持電源冗余，符合工業級設計要求。

[行業背景闡述] 在當今工業控制系統中，工業現場控制朝著更專業方向發展，而電子產品開發周期要求更短，能更快的應對市場需求的進步，各種設備均已普遍朝著智能化方向發展。最常用的PLC、RTU、FTU、TTU、數據采集模塊等先進的工業設備都已經基本實現了智能化和網絡化，將以太網技術應用于工業控制領域已成為勢不可擋的發展潮流，工業以太網技術發展迅速，工業以太網產業發展的速度令人震驚，其應用已經滲透進工業控制的各個領域，國外高端的工業以太網產品已經占據壟斷地位，但因其高額的價格讓國內現場集成商望而卻步，而在中底端市場，國內的工業以太網控制造商發展勢頭正如火如荼，其產品性能越來越穩定，性價比更是國外廠商無法放下身價的。MIEN5000M是武漢邁威光點技術公司專為工業應用而開發的高性能、低成本嵌入式工業以太網交換機模塊。能方便集成商或用戶的二次開發，縮短產品設計周期，滿足用戶的個性化需求。

一、 模塊功能簡介MIEN5000M是武漢邁威光點技術公司專為工業應用而開發的高性能、低成本嵌入式網管型工業以太網交換機核心技術模塊。MIEN5000M模塊通過擴展接口，擴展成工業以太網交換機產品。擴展的交換機可以有有2個上聯環網冗余的100Base-FX單?；蚨嗄９饫w接口，也可以使用100Base-TX的電口。利用上聯冗余光纖接口可以組成光纖冗余環網，系統在出現故障時環網冗余倒換時間小于100ms。MIEN5000提供網絡變壓器輸出的6個以太網電口，用戶可連接6個10Base-T/100Base-TX以太網RJ45端口。每個電口都具有自適應功能，能自動的配置到10Base-T或100Base-TX狀態以及全雙工或半雙工的運行模式，并能自動進行MDI/MDI-X連接。

支持全局網管和基于端口的VLAN劃分。它能夠將多個站點的以太網信號復合到環形光纖鏈路中傳輸。模塊的MAC口速率100Mbit/s符合IEEE802.3標準，支持VLAN幀傳輸，可連接交換芯片。模塊有強大的網管功能，基于RS232協議的全網統一網管平臺，網管通道獨立于業務通道之外，使網管系統可以免遭網絡病毒及黑客程序的攻擊，提高系統運行的安全性。專門開發的上位機網管軟件，可以對網絡內的設備進行地址自動生成，以及對網絡拓撲的自動掃描與自動生成。整個模塊電路由大規模FPGA和工業級芯片組成，FPGA程序自主開發并擁有技術產權。MIEN5000M嵌入式模板，體積輕巧，功能高度集中，使用工業級元件生產，兩排40芯插座提供的標準信號接口，方便用戶的二次開發。模塊支持電源冗余，符合工業級設計要求。光纖網絡的冗余功能，獨立的全網網管通道，冗余的電源輸入功能，功能強大的全網實時網管系統。為系統的可靠運行提供了多重保障。用戶通過簡單配置即可實現形式多樣的工業以太網交換機，或者通過在工業設備中嵌入該模塊，就能輕易為用戶設備帶來具有工業性能的冗余環網功能。MIEN5000M模塊可廣泛應用在以太網光端機、工業級環網冗余交換機等產品中。

二、 模塊特點概述 ； 即插即用快速以太網冗余環狀拓撲結構。；支持50臺設備組環。； 全負載情況下線路故障恢復時間小于100ms，增強了系統通信的可靠性。；支持6個10Base-T/100Base-TX自適應的以太網接口，和2個100Base-FX冗余光纖接口。； 電口支持MDI/MDI-X自動連接。； 支持基于端口的VLAN標準以便利于網絡規劃，控制廣播域和網段流量，提高網絡安全性和可管理性。；支持廣播風暴抑制功能。； 支持優先級及接口速率的設置與查詢，提高數據傳送的確定性。； 支持電源、端口鏈路及環網狀態的本地告警和遠端告警。； 支持告警信息繼電器輸出。；網管通道獨立于業務通道之外，不影響業務通道帶寬，在確保系統100M線速基礎上，提供基于串口的全局網管平臺。

三、 模塊主要功能 100Mbit/s光纖冗余 工業現場網絡發生故障后，盡快對網絡進行重構，對工業現場來說十分重要，否則連接的終端設備會斷開邏輯通信連接。MIEN5000M采用了武漢邁威自主開發的SRing技術，提供冗余光口來實現光纖網絡冗余，使系統出現故障后在100ms內恢復連接。 100Mbit/s雙絞線冗余 MIEN5000M提供以太網口的網絡冗余(雙絞線)，當網絡出現中斷時，系統可在100ms內完成網絡重構，使通信恢復正常，提高了系統穩定性和安全性。

配置、網管功能 MIEN5000M工業以太網交換機可通過CONSOLE口進行交換機或整個網絡參數的設置、查詢與管理。

指示功能 MIEN5000工業以太網交換機產品在前面板上通過指示燈能正確指示端口狀態，包括傳輸速率，鏈路連接狀態以及系統狀態的正確指示。

VLAN（虛擬局域網）功能 在網絡內可基于端口劃分多個VLAN，實現在同一VLAN的用戶可以互通，不同VLAN的用戶不能互通。MIEN5000的VLAN設置符合IEEE802.1Q標準，可以實現跨交換機的相同VLAN互通，MIEN5000最多支持16個基于IEEE802.1Q 標準的VLAN。

802.1p優先級功能 IEEE 802.1p是在LAN環境中最廣泛使用的優先級方案。MIEN5000支持802.1p標準，當連接到MIEN5000的用戶終端不支持802.1p而又希望對不同端口的業務分配不同的優先級時，可以使用此功能進行基于端口的優先級設置。此設置只影響進入端口的Packet中不含優先級域的數據包。MIEN5000工業以太網交換機每個端口支持2級（高、低）優先級設置。

二層交換 常用交換技術有兩種：直通式交換技術（Cut-Through）：交換機接收到數據幀，只要接收完頭部，立即進行轉發，不作任何校驗和處理；存儲轉發交換技術（Store and Forward）：交換機開始接收數據幀后，先進行存儲，待完全接收整個數據幀后，進行差錯校驗，校驗無誤后進行轉發。存儲轉發交換技術是使用最廣泛的交換技術，MIEN5000即采用此種交換方式。

廣播風暴抑制功能 支持基于百分比的廣播風暴抑制，廣播風暴是由網橋環造成的在網橋上無休止地轉發廣播幀或組播幀的情況，廣播風暴浪費了許多帶寬。廣播風暴抑制的目的是優化交換機網絡的性能，配置了廣播風暴抑制比，即可對MIEN5000上收到的廣播流量進行監控，當廣播流量的帶寬超過配置的限度時，交換機將過濾超出的流量，保證網絡的業務，使廣播所占的流量比例降低到合理的范圍。

告警功能 MIEN5000的告警功能包含電源失效告警、端口鏈路告警、以及網絡告警等，可以通過網管軟件對各種告警功能進行使能設置。告警信息通過設備上的告警端子輸出還可以在網管界面上輸出。

端口工作模式設置功能 MIEN5000工業以太網交換機可以通過網管對所有端口的工作模式進行設置：全雙工/半雙工自適應、強制全雙工、強制半雙工、10M/100M自適應、強制10M、強制100M等。

端口速率設置功能 MIEN5000工業以太網交換機可以通過網管對所有端口的速率進行設置，速率可以設置為32k bps的整數倍