工業(yè)通信網(wǎng)絡網(wǎng)關技術

本文主要解釋了“網(wǎng)關”，“設備服務器”，“轉換器”，“擴展模塊”... ...這些工業(yè)通信專業(yè)詞匯在概念上的區(qū)別，有助于用戶更好地選擇合適的產(chǎn)品。

1. OSI模型

開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型（OSI）是1984年由國際標準化組織（ISO）提出的一個參考模型。作為一個概念性框架，它是不同制造商的設備和應用軟件在網(wǎng)絡中進行通信的標準?，F(xiàn)在此模型已成為計算機間和網(wǎng)絡間進行通信的主要結構模型。目前使用的大多數(shù)網(wǎng)絡通信協(xié)議的結構都是基于 OSI 模型的。OSI 將通信過程定義為七層，即將連網(wǎng)計算機間傳輸信息的任務劃分為七個更小、更易于處理的任務組。每一個任務或任務組則被分配到各個 OSI 層。每一層都是獨立存在的，因此分配到各層的任務能夠獨立地執(zhí)行。

2. 轉換器和擴展模塊

轉換器通常工作在 OSI 模型的第 1 層和第 2 層。它們做的是將電氣信號從一個物理媒體轉移到另一個物理媒體。例如 RS-232 <-> RS-422 轉換器就是在這兩種不同電氣信號之間進行轉發(fā)。另一個例子是以太網(wǎng) 100Mbit CAT5 Cable <->100Mbit 光纖轉換器。 轉換器在工業(yè)場合種十分有用，可從一種物理媒體轉發(fā)至另一種，但僅僅是信號的轉發(fā)，而不進行任何應用層的附加功能。

當信號通過很長的電纜進行傳輸?shù)臅r候，就會減弱和畸變，我們稱之為衰減。如果電纜長到一定程度，衰減最終會導致信號無法識別。擴展模塊就是用來使信號傳得更遠。它工作在 OSI 物理層來重新生成通訊信號并將其重發(fā)到其它網(wǎng)段。 擴展模塊主要用于延長網(wǎng)絡上節(jié)點之間的通訊距離。 擴展模塊將減弱的信號從一個段獲取并進行重新生成，然后轉送到下一個段。擴展模塊既不翻譯也不過濾任何信息。只有兩個段使用相同的訪問方法的時候才能使用擴展模塊。 例如，擴展模塊是不能連接一個使用 CSMA/CD ( 以太網(wǎng) ) 的網(wǎng)段和一個使用令牌的網(wǎng)段。

3. 工業(yè)以太網(wǎng)交換機

交換機可看作為智能重復器。它們將物理層信號放大，但同時還提供對所接收包的智能分析。具有存儲和轉發(fā)技術的以太網(wǎng)交換機可查看收到的整個數(shù)據(jù)幀及其端口。先通過 CRC 校驗檢查通訊位是否被破壞，如果校驗錯誤則將這幀數(shù)據(jù)丟棄。如果 CRC 校驗成功，交換機將查看目的地址并將數(shù)據(jù)幀轉發(fā)至目的幀所在的端口。

4. 設備服務器/網(wǎng)橋

設備服務器也稱作網(wǎng)橋，網(wǎng)橋工作在 OSI 模型的 1-4 層。它進行連接建立、重發(fā)和錯誤處理等。數(shù)據(jù)可以方便地通過網(wǎng)橋進行交換，但是是以匿名數(shù)據(jù)塊進行發(fā)送的。第 4 層本身沒有數(shù)據(jù)處理機制。 對于以太網(wǎng)，設備服務器非常多地用于將串行網(wǎng)絡，例如 RS-232 橋接到以太網(wǎng)。設備服務器具有完整的 TCP/IP 協(xié)議棧，在它的串口側，串口數(shù)據(jù)封裝在 TCP/IP 幀中，然后通過以太網(wǎng)傳送。這聽上去有些像媒體轉換器，但設備服務器進行了更復雜的時序和協(xié)議處理。 如果串口服務器與基于 PC 的系統(tǒng)通訊， PC 通常運行應用軟件來從 TCP/IP 幀中提取數(shù)據(jù)。 PC 上的軟件將創(chuàng)建一個虛擬的串口用于與設備通訊。這種方式不需要向原有的應用添加任何新功能，就可將數(shù)據(jù)在 PC 和設備之間進行透明傳輸，既便需要對軟件和硬件進行改動，也非常少。大多數(shù)情況下，最終用戶看不到直接的串行連接，它已被以太網(wǎng)上的虛擬端口所取代。 使用這種方式，設備服務器可以實現(xiàn)將位于很遠的 PC 通過以太網(wǎng)與串行設備交換數(shù)據(jù)。

還有一種網(wǎng)橋能夠將串行接口數(shù)據(jù)轉換至某些現(xiàn)場總線，例如PROFIBUS。這聽上去與我們下面要討論的網(wǎng)關較為相似。但它的工作原理還是網(wǎng)橋，因為它不能夠對數(shù)據(jù)進行應用層的解析，而只是將串行報文整體作為PROFIBUS的數(shù)據(jù)進行轉發(fā)。這類網(wǎng)橋產(chǎn)品的缺點是其自身不能處理串行報文的幀格式和收發(fā)機制(如：掃描周期、超時時間、重發(fā)次數(shù)等)，而這些任務都需要現(xiàn)場總線的主站(如PLC)來完成。從而增加了總線的負擔，降低了實時性和可靠性。

5. 網(wǎng)關(7層網(wǎng)關)

網(wǎng)關可實現(xiàn)不同結構和協(xié)議的通訊之間的互聯(lián)。它們可以實現(xiàn)在不同網(wǎng)絡之間進行重新打包和格式轉換，因此一種網(wǎng)絡能夠理解其它網(wǎng)絡的應用數(shù)據(jù)。 網(wǎng)關將信息重新打包以符合目的系統(tǒng)的需要。網(wǎng)關能夠修改報文的格式因此可以符合接收端的應用程序。網(wǎng)絡通常用來連接兩個不可能使用相同通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)格式的系統(tǒng)。

網(wǎng)關集成了 OSI 模型 1 至 7 層的全部內容。這就實現(xiàn)了真正意義上兩個網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)翻譯和處理，并達到了真正聯(lián)接兩個網(wǎng)絡的目的。通過網(wǎng)關橋接以太網(wǎng)和其它協(xié)議，例如 DeviceNet, PROFIBUS 或簡單的串行協(xié)議，可以實現(xiàn)在內置 web 服務器中使用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，真正實現(xiàn)基于 web 的監(jiān)測和控制。 關于將串口數(shù)據(jù)轉換至以太網(wǎng)或其它網(wǎng)絡，有必要進行進一步的解釋。事實上串口協(xié)議是不具備完整 7 層協(xié)議的，這使得數(shù)據(jù)連接有些困難。例如條碼閱讀器這種設備僅僅傳送內置于特定設備的 ASCII 數(shù)據(jù)。

6. 串行網(wǎng)關

將RS-232/422/485設備接入現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)，可以由“串行網(wǎng)關”來實現(xiàn)。SIBOTECH串行網(wǎng)關利用數(shù)據(jù)緩存區(qū)的方式來解決轉換問題。從串行設備來的數(shù)據(jù)被映射到網(wǎng)關的本地存儲區(qū)中，通過一個配置工具軟件，網(wǎng)關可以定義在串行數(shù)據(jù)流中哪些字節(jié)是純數(shù)據(jù)而哪些是命令控制信息。被選中的純數(shù)據(jù)被映射到另一側網(wǎng)絡的第 7 層，因此可以被網(wǎng)絡上其它節(jié)點所接收和理解。

這種解決方案的一個很大好處就是網(wǎng)關相當于一個網(wǎng)絡設備，由于其內置了一個嵌入式網(wǎng)卡。這樣網(wǎng)關將所選擇的數(shù)據(jù)字節(jié)轉換為 PLC 和現(xiàn)場總線系統(tǒng)所能理解的格式。這樣串行設備就被看成為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡上的其它設備(如I/O模塊)一樣。SIBOTECH 網(wǎng)關更高級的功能是它還可以通過 Modbus RTU 等協(xié)議主動地與設備進行控制和通訊，并將特定的數(shù)據(jù)連接到 PROFIBUS 或以太網(wǎng)等工業(yè)網(wǎng)絡上。它也可以被用于 web 網(wǎng)關位串口設備提供基于 web 的管理、監(jiān)測和控制功能。

7. 網(wǎng)絡-網(wǎng)絡網(wǎng)關

隨著對工廠級網(wǎng)絡靈活性和多樣性需求的不斷增加，網(wǎng)絡之間的互聯(lián)顯得越來越重要。工業(yè)網(wǎng)關為聯(lián)接不同現(xiàn)場總線網(wǎng)絡提供了一種解決方案，無論是同在一個工廠或是與工廠以外。SIBOTECH網(wǎng)關系列是聯(lián)接任意兩種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的網(wǎng)關產(chǎn)品。

請瀏覽相關頁面了解如何使用SIBOTECH網(wǎng)關，簡單地實現(xiàn) I/O 數(shù)據(jù)交換，將新舊網(wǎng)絡進行聯(lián)接并相互通訊。