工业以太网交换机核心模块技术剖析

[摘要]工业以太网核心模块能够在快速，协作的个性化EDA设计中方便用户的二次开发，将多个站点的以太网信号复合到环形光纤链路中传输。支持对光纤环路的自动检测和倒换，倒换时间不大于100ms。模块的MAC口速率100Mbit/s符合IEEE802.3标准，支持VLAN帧传输，可连接交换芯片。具有10M/100M自适应以太网环网结构，支持全局网管。整个模块电路由大规模FPGA和工业级芯片组成，FPGA程序自主开发并拥有技术产权。模块尺寸小巧，接口功能强大，使用工业级元件生产。模块支持电源冗余，符合工业级设计要求。

[行业背景阐述] 在当今工业控制系统中，工业现场控制朝着更专业方向发展，而电子产品开发周期要求更短，能更快的应对市场需求的进步，各种设备均已普遍朝着智能化方向发展。最常用的PLC、RTU、FTU、TTU、数据采集模块等先进的工业设备都已经基本实现了智能化和网络化，将以太网技术应用于工业控制领域已成为势不可挡的发展潮流，工业以太网技术发展迅速，工业以太网产业发展的速度令人震惊，其应用已经渗透进工业控制的各个领域，国外高端的工业以太网产品已经占据垄断地位，但因其高额的价格让国内现场集成商望而却步，而在中底端市场，国内的工业以太网控制造商发展势头正如火如荼，其产品性能越来越稳定，性价比更是国外厂商无法放下身价的。MIEN5000M是武汉迈威光点技术公司专为工业应用而开发的高性能、低成本嵌入式工业以太网交换机模块。能方便集成商或用户的二次开发，缩短产品设计周期，满足用户的个性化需求。

一、 模块功能简介MIEN5000M是武汉迈威光点技术公司专为工业应用而开发的高性能、低成本嵌入式网管型工业以太网交换机核心技术模块。MIEN5000M模块通过扩展接口，扩展成工业以太网交换机产品。扩展的交换机可以有有2个上联环网冗余的100Base-FX单模或多模光纤接口，也可以使用100Base-TX的电口。利用上联冗余光纤接口可以组成光纤冗余环网，系统在出现故障时环网冗余倒换时间小于100ms。MIEN5000提供网络变压器输出的6个以太网电口，用户可连接6个10Base-T/100Base-TX以太网RJ45端口。每个电口都具有自适应功能，能自动的配置到10Base-T或100Base-TX状态以及全双工或半双工的运行模式，并能自动进行MDI/MDI-X连接。

支持全局网管和基于端口的VLAN划分。它能够将多个站点的以太网信号复合到环形光纤链路中传输。模块的MAC口速率100Mbit/s符合IEEE802.3标准，支持VLAN帧传输，可连接交换芯片。模块有强大的网管功能，基于RS232协议的全网统一网管平台，网管通道独立于业务通道之外，使网管系统可以免遭网络病毒及黑客程序的攻击，提高系统运行的安全性。专门开发的上位机网管软件，可以对网络内的设备进行地址自动生成，以及对网络拓扑的自动扫描与自动生成。整个模块电路由大规模FPGA和工业级芯片组成，FPGA程序自主开发并拥有技术产权。MIEN5000M嵌入式模板，体积轻巧，功能高度集中，使用工业级元件生产，两排40芯插座提供的标准信号接口，方便用户的二次开发。模块支持电源冗余，符合工业级设计要求。光纤网络的冗余功能，独立的全网网管通道，冗余的电源输入功能，功能强大的全网实时网管系统。为系统的可靠运行提供了多重保障。用户通过简单配置即可实现形式多样的工业以太网交换机，或者通过在工业设备中嵌入该模块，就能轻易为用户设备带来具有工业性能的冗余环网功能。MIEN5000M模块可广泛应用在以太网光端机、工业级环网冗余交换机等产品中。

二、 模块特点概述 ； 即插即用快速以太网冗余环状拓扑结构。；支持50台设备组环。； 全负载情况下线路故障恢复时间小于100ms，增强了系统通信的可靠性。；支持6个10Base-T/100Base-TX自适应的以太网接口，和2个100Base-FX冗余光纤接口。； 电口支持MDI/MDI-X自动连接。； 支持基于端口的VLAN标准以便利于网络规划，控制广播域和网段流量，提高网络安全性和可管理性。；支持广播风暴抑制功能。； 支持优先级及接口速率的设置与查询，提高数据传送的确定性。； 支持电源、端口链路及环网状态的本地告警和远端告警。； 支持告警信息继电器输出。；网管通道独立于业务通道之外，不影响业务通道带宽，在确保系统100M线速基础上，提供基于串口的全局网管平台。

三、 模块主要功能 100Mbit/s光纤冗余 工业现场网络发生故障后，尽快对网络进行重构，对工业现场来说十分重要，否则连接的终端设备会断开逻辑通信连接。MIEN5000M采用了武汉迈威自主开发的SRing技术，提供冗余光口来实现光纤网络冗余，使系统出现故障后在100ms内恢复连接。 100Mbit/s双绞线冗余 MIEN5000M提供以太网口的网络冗余(双绞线)，当网络出现中断时，系统可在100ms内完成网络重构，使通信恢复正常，提高了系统稳定性和安全性。

配置、网管功能 MIEN5000M工业以太网交换机可通过CONSOLE口进行交换机或整个网络参数的设置、查询与管理。

指示功能 MIEN5000工业以太网交换机产品在前面板上通过指示灯能正确指示端口状态，包括传输速率，链路连接状态以及系统状态的正确指示。

VLAN（虚拟局域网）功能 在网络内可基于端口划分多个VLAN，实现在同一VLAN的用户可以互通，不同VLAN的用户不能互通。MIEN5000的VLAN设置符合IEEE802.1Q标准，可以实现跨交换机的相同VLAN互通，MIEN5000最多支持16个基于IEEE802.1Q 标准的VLAN。

802.1p优先级功能 IEEE 802.1p是在LAN环境中最广泛使用的优先级方案。MIEN5000支持802.1p标准，当连接到MIEN5000的用户终端不支持802.1p而又希望对不同端口的业务分配不同的优先级时，可以使用此功能进行基于端口的优先级设置。此设置只影响进入端口的Packet中不含优先级域的数据包。MIEN5000工业以太网交换机每个端口支持2级（高、低）优先级设置。

二层交换 常用交换技术有两种：直通式交换技术（Cut-Through）：交换机接收到数据帧，只要接收完头部，立即进行转发，不作任何校验和处理；存储转发交换技术（Store and Forward）：交换机开始接收数据帧后，先进行存储，待完全接收整个数据帧后，进行差错校验，校验无误后进行转发。存储转发交换技术是使用最广泛的交换技术，MIEN5000即采用此种交换方式。

广播风暴抑制功能 支持基于百分比的广播风暴抑制，广播风暴是由网桥环造成的在网桥上无休止地转发广播帧或组播帧的情况，广播风暴浪费了许多带宽。广播风暴抑制的目的是优化交换机网络的性能，配置了广播风暴抑制比，即可对MIEN5000上收到的广播流量进行监控，当广播流量的带宽超过配置的限度时，交换机将过滤超出的流量，保证网络的业务，使广播所占的流量比例降低到合理的范围。

告警功能 MIEN5000的告警功能包含电源失效告警、端口链路告警、以及网络告警等，可以通过网管软件对各种告警功能进行使能设置。告警信息通过设备上的告警端子输出还可以在网管界面上输出。

端口工作模式设置功能 MIEN5000工业以太网交换机可以通过网管对所有端口的工作模式进行设置：全双工/半双工自适应、强制全双工、强制半双工、10M/100M自适应、强制10M、强制100M等。

端口速率设置功能 MIEN5000工业以太网交换机可以通过网管对所有端口的速率进行设置，速率可以设置为32k bps的整数倍