详细介绍下工业以太网中的集线器、交换机及路由器这三种网络元件

工业以太网在当前的自动化控制中已经相当普及。作为以太网的重要组成部分——交换机、路由器及集线器等元件在工业网络中发挥着重要的作用。其中，工业交换机的使用最为广泛。工业交换机包括两类：非管理型交换机和管理型交换机。非管理型交换机就是普通意义上的交换机，而管理型交换机则支持很多网络协议，有的还具有路由功能。集线器的使用不多，在某些情况下需要抓取网络通信报文时会用到。今天这篇文章我们来详细介绍下这三种网络元件。

1、集线器（Hub）

集线器是一种工作在物理层（OSI网络参考模型第一层）的网络元件，它以广播的方式向外发送数据。换句话说，它将接收到的数据，镜像式的发送到其所有端口中。数据发送没有目的性，所有连接到其端口的设备均能收到。集线器广播式的发送数据容易造成网络风暴，浪费有限的网络带宽。另外由于所有端口均能收到数据，使其安全性很低，因此这种元件已经很少使用。但是在某些特殊场合下，比如为了获取网络通信报文，需要用到集线器。

2、交换机（Switch）

交换机是一种工作在数据链路层（OSI网络参考模型第二层）的网络元件。前面我们说过，工业交换机包括非管理型和管理型两类。如果没有特别指明，说起交换机，都是指非管理型交换机。通常情况下，它是以端口到端口的形式进行数据转发。交换机的数据转发基于MAC地址，在其内部保存着一张MAC地址表，记录着端口与MAC地址的对应关系。当收到报文时，交换机分析报文中的MAC地址，然后根据MAC地址表，发送到相应的端口中。在上电初期，MAC地址表不完整的情况下，交换机会以广播的形式发送数据。在通信过程中，也会根据网络通断的情况，实时更新MAC地址表。

工业以太网中不建议使用商用交换机，而应该使用工业交换机。以PROFINET为例，它对交换机有如下一些要求：

工业级；

支持百兆速率，支持全双工通信；

支持IEEE 802.1q（VLAN标记协议）及IEEE 802.1p（优先级协议）；

支持VLAN ID为0的报文透传；

说明：非网管型交换机虽然不支持划分VLAN，当应支持VLAN报文的转发

西门子SCLANCE X00/X100/XC100非管理型交换机可满足PROFINET对交换机的要求，具体如下：

工业级交换机，所有的端口均是百兆以上。支持自协商（速率、半双工/全双工模式）和自交叉（直连线或交叉线）；

支持IEEE 802.1p优先级标准；

PROFINET RT（实时）数据的VLAN ID为0。X00/X100/XC100系列交换机完全支持VLAN ID为0的报文转发。而在有些交换机中，VLAN ID为0会被当作非法数据丢弃；

工业网络中的管理型交换机有的工作在第二层（数据链路层），有的工作在第三层（网络层），视产品不同而不同。与非管理型交换机相比，管理型交换机具有更强的网络管理能力，支持更多的协议，比如：

LLDP（Link Layer Discovery Protocol），链路层发现协议，用于支持网络拓扑结构报文；

SNMP（Simple Network Management Protocol），简单网络管理协议，可管理网络上的设备；

WEB服务器协议；

冗余管理协议；

可划分VLAN（虚拟局域网），支持VLAN之间路由功能；

网络信息诊断；

管理型交换机在PROFINET网络中的典型应用是通过拓扑结构分配设备名，从而实现设备更换免维护。我们知道每一个PROFINET I/O设备都必须被分配设备名称后才能正常工作。通过使用管理型交换机并设置端口的拓扑结构，这样即使更换了新设备，PROFINT I/O控制器也会自动给该设备分配设备名，达到了免维护的效果。

二层交换机的数据转发只能在同一个子网中。TCP/IP协议规定不同的子网之间不能直接通信，要实现子网之间的通信，必须使用路由器（或者三层交换机）。

3、路由器（Router）

路由器是一种工作在网络层（OSI网络参考模型第三层）的网络元件。它由两个网络部分组成，分别连接两个子网，从而实现子网之间的通信。路由器有两类不同的端口，一类称为LAN口，一类称为WAN口。LAN口用于连接局域网，WAN口可连接广域网（或另一个子网）。

与交换机类似，路由器的内部也保存着一张各端口与设备的对应表，称为路由表。不同之处在于，路由表是基于IP地址的。当子网内某个设备发送的IP地址不在当前子网内时，设备会将其发送给路由器（设置网关地址）。路由器负责将该报文转发到相应的子网中。

路由器支持更多的网络协议（比如TCP/IP、DHCP、ICMP、NAT、PPPoE、 SNTP、HTTP、DNS、H.323、SIP、DDNS等，视产品而定），具有更强的网络管理能力，有的还有防火墙、VPN等功能，是工厂上层管理系统（比如MES）不可缺少的元器件。

好了，关于工业网络中的集线器、交换机和路由器就先介绍到这里。

审核编辑：刘清