工业以太网交换机市场发展现状分析（通用6篇）
现在工业中，通常会采用专用的工业交换机，定义不同的太网帧优先等级，让用户所希望的信息能够以最快的速度传递出去。目前，我国工业以太网交换机行业整体上仍处于导入阶段，下游客户主要集中于电力、轨道交通等行业。预计整个“十二五”期间，工业以太网交换机平均每年的市场容量在30亿元左右，未来3年的复合增速将达25%。
工业以太网交换机市面状况
国内工业以太网交换机市场中，电力和轨道交通是工业交换机的重点应用领域，占到市场的70%。中国工业以太网交换机市场活跃着大约50家厂商。中国工业以太网交换机市场的外资厂商在15家左右，台资厂商3-4家，本土厂商30家左右。本土厂商中以地方品牌居多。目前参与国内工业以太网交换机市场竞争的企业可分为两类：第一类是专业的工业以太网交换机生产厂商。以赫思曼、摩莎、东土科技、罗杰康、卓越信通等为代表的专业厂商是国内工业以太网交换机市场的主要企业。这类企业由于抢占了市场先机，发展速度较快，涉及行业较广，市场份额较高。赫思曼由于在电力等行业拥有优势资源，其国内市场占有率排名第一的地位短时期内不会出现变化。但是赫思曼产品价格偏高，未来将面临摩莎、东土科技、罗杰康等企业的挑战。
以太网取代传统的现场总线是未来工业控制网络的发展趋势,随着交换式以太网技术的引入,通过全双工通信和微网段的划分,提高了以太网的性能和时间的确定性,不再受限于CSMA/CD( 带冲突检测的多路访问侦听技术) 的工作方式[1],不管在工厂还是车载等小型化的设备[2]都具有一定的应用前景,而为了大规模的对交换式以太网技术在进行推广使用,需要对其实时能力给予一个客观的评价, 即对传输时延上限进行精确的计算。采用确定性网络演算理论可以准确的计算业务流的端到端传输时延,文中给出了一种适合实际工业现场的业务流队列调度模型,并给出了精确的时延计算数学表达式。
2传输时延因素分析
在实际的工业控制现场,影响以太网在工厂中现实应用的主要是它的时延[3]。业务流的端到端通信时延为从信息发送到信息接收之间的全部延迟,主要包括以下几个方面的因素[4]:
( 1) 排队延迟: 从业务流进入排队队列,到信息获取通信网络所需的时间。排队延迟主要由通信网络的媒体存取控制( MAC) 协议和相应的队列调度算法决定的。
( 2) 发送延迟: 从数据帧的第一个字节开始发送到数据帧的最后一个字节发送结束所需的时间。 发送延迟时间的长短取决于数据帧的长度和网络的通信速率。
( 3) 传输延迟: 业务流在现场设备之间的传输时间。传输延迟取决于通信网络在现场设备之间的物理长度。
综述所述,可以看出交换式工业以太网的端到端通信延迟主要取决于数据的排队时延和发送大数据时的发送时延。下文主要是计算其业务流在网络中的排队时延。
3确定性网络演算理论
网络演算理论[5]是基于极小代数在网络中用于定性和定量分析的一系列有用结论的集合,相比于传统的采用排队论的思想来分析网络时延上限, 网络演算理论结合了到达曲线和服务曲线[6]的概念来分析网络系统的缓冲区调度和网络时延等一些基本属性。传统的排队论思想分析时延是建立在统计概率基础上的,有文献研究证明这种模型是不符合实际工业现场的数据信息。
定理1( 到达曲线) : 给定一个函数 α( t) ,且 α ∈ Γ,t ≥ 0,如果通信流的累积函数R( t) 对任何时刻s和t满足以下两个条件: ( 1) R( t) - R( s) ≤ α( t s) ; ( 2) R ≤ R α,则称 α( t) 为R( t) 的到达曲线。
定理2( 服务曲线) : 给定一个通信流的累积函数R( t) ,对于函数 β( t) ∈ Γ,且 β( 0) = 0,若通信流的输出函数 β*( t) 满足R*( t) ≥ R β,则称该系统为通信流提供了服务曲线 β( t) 。
定理3( 输出流的到达曲线) : 假设到达曲线为 α 限制的流通过一个服务曲线为 β 的服务器,则输出流由到达曲线 α*= α β 限制。
定理4( 串联系统的服务曲线) : 假设一个业务流顺序流过系统S1和S2,Si为该流提供服务曲线 βi,i = 1,2,则串联系统提供的服务曲线为 β1 β2。
定理5( 时延上限)[7]: 假设一个到达曲线为 α( t) 的通信流穿过一个网络系统,该系统为通信流提供的服务曲线为 β( t) ,对任意时间t,则通信流在系统中的延时D( t) 满足关系: D( t) = h( α,β) 。
如图1为网络节点的到达曲线、服务曲线和时延上限之间的关系。
4传输时延上限的计算
4.1队列调度模型及调度算法
在网络数据发生交换的地方,调度算法的应用让数据更加有效的接收与转发,在交换机中采用调度算法对数据进行存储转发,可以有效的减少数据在交换机中的阻滞与传输转发时延。在这里介绍一种加权轮询类算法: 基于WRR的改进型算法[8]。
这里将交换机需要转发的三种数据: 周期性实时数据、周期性非实时数据以及非实时非周期数据分别定义为EF( 加速转发) 、AF( 保证转发) 、BE( 尽力服务) ,本文所讨论的改进型WRR队列调度算法中,AF和BE数据是直接进入PRI调度器进行调度,所以本文不会讨论这两种优先级的转发,而着重讨论AF数据的传输时延。假设每次进入交换机某端口的AF数据有3个队列,WRR算法可以保证这三个队列轮流进行输出,而且相比SP算法Strict Priority,严格优先级队列) ,它避免了低优先级队列中的数据长时间得不到服务的特点,保证每个队列都可以得到一定的服务时间。WRR可为每个队列分配一个加权值 ( w3、w2、w1) 。加权值意味着获取资源的比重。假设有一个100M的输出端口,三个队列分配到的加权分别为6,3,1,这样可以保证带宽最窄的AF队列也可以获取到10M的带宽。同时由于WRR算法中分组变长给优先级低的数据带来的不公平性,这里改进型的算法限制了高优先级数据的长度,防止由于高优先级数据过长造成的低优先级数据得不到服务的状况。
如图2所示,当交换机有分组到达端口,首先进入边缘路由器,当检查接收到的是实时周期数据[9]( EF) : 如控制单元发出的控制信息,则分配给此队列为最高优先级,之后需要经过令牌桶的过滤, 当令牌桶确认该数据队列的长度没有超过最大数据长度时方可获取进入PRI调度器进行调度转发,否则丢弃该数据。因为PRI调度器是" 饥饿" 型调度方式,如果不对优先级最高的数据进行令牌桶的选择过滤就直接获得进入PRI中,当在网络资源严重不足时,造成高优先级的队列完全占据网络资源,低优先级的数据" 饥饿" 的现象。当检查到AF数据, 则根据WRR调度器对其中的队列赋予不同的优先级 ( w3、w2、w1) 。之后排队等待进入PRI中进行转发,而BE数据这里将不会单独的赋予其优先级,而是在EF和AF全部发送完毕后,在进行转发。
4.2网络拓扑模型
本文采用图3所示的两级树型拓扑,用主站模拟中央控制器,用从站模拟现场设备( 数据采集器和变送器等) 。二级交换机的个数假设为m个,与每个二级交换机相连的从站有n个。此处的所有交换机都采用存储转发方式。
4.3时延上限计算
( 1) 到达曲线
设vi,bi分别为交换机接收端口数据的持续传输速率和数据最大的突发尺寸。这里假设输出端口开始有数据输出此时刻t = 0,由于交换机采用存储转发方式,那么在( 0,t]时间内进入交换机第i个输入端口的数据量应该小于该时刻内传输的数据总量vit及最大数据突发尺寸bi的和( 设某段时间t内的最大数据量用R( t) 表示) ,那么则有R( t) ≤ vi( t) + bi,此处可以运用到达曲线的概念,设此数据流的到达曲线[7]αi( t) = vit + bi,每个二级交换机共有n个端口,则总到达曲线
( 2) 二级交换机的服务曲线
假设本文交换机的总的服务能力为C ,那么对于供给到达交换机的数据的服务曲线有:
本文以分析最高优先级的实时周期性数据的时延为例( 优先级为w3) ,同样,优先级较低的周期性非实时数据和非实时数据( 优先级为w2,w1) 按照同样的方法可以推出,此处不再赘述。当交换机接收到周期性实时数据流的时候,首先会判断该数据流是否超过数据长度的限制,当符合要求优先级调度器会赋予其优先级并提供服务。而由参考文献 [3]可知交换机提供给到达交换机等待服务的数据流的服务曲线为
根据图2所示的WRR改进型队列调度算法,由公式( 2) 可得该数据流实际分配到的服务曲线为
由( 等式右边是除第i个数据流之外的其他数据流在0时刻的积压数据) 可得
又因为
代入式( 3) 可得
从式( 4) 可得AF数据流经过二级交换机的服务时延
( 3) 一级交换机的服务曲线
由上文中的定理三可知该AF数据流在二级交换机的离开曲线( 一级交换机的到达曲线)
由二级交换机的n个从站聚合在一起的数据流到达曲线,类似的,m个二级交换机汇聚而成到达一级交换机的总到达曲线
5结束语
交换机类型（机架式，固定配置式带/不带扩展槽）机架式交换机是一种插槽式的交换机，这种以太网交换机扩展性较好，可支持不同的网络类型，如以太网、快速以太网、千兆以太网、ATM、令牌环及FDDI等，但价格较贵。
固定配置式带扩展槽交换机是一种有固定端口数并带少量扩展槽的以太网交换机，这种以太网交换机在支持固定端口类型网络的基础上，还可以支持其它类型的网络，价格居中。固定配置式不带扩展槽以太网交换机仅支持一种类型的网络，但价格最便宜。
配置：
机架插槽数DD是指机架式以太网交换机配置所能安插的最大模块数。扩展槽数DD是指固定配置式带扩展槽交换机所能安插的最大模块数。最大可堆叠数DD是指一个堆叠单元中所能堆叠的最大交换机数目。此参数说明了一个堆叠单元中所能提供的最大端口密度。
最小/最大10M以太网端口数DD是指一台交换机所支持的最小/最大10M以太网端口数量。最小/最大100M以太网端口数DD是指一台交换机所支持的最小/最大100M以太网端口数量。
最小/最大1000M以太网端口数DD是指一台以太网交换机所能连接的最小/最大1000M以太网端口数量。支持的网络类型：
一般情况下，固定配置式不带扩展槽以太网交换机配置仅支持一种类型的网络，机架式交换机和固定配置式带扩展槽交换机可支持一种以上类型的网络，如支持以太网、快速以太网、千兆以太网、ATM、令牌环及FDDI等。一台交换机所支持的网络类型越多，其可用性、可扩展性越强。
最大ATM端口数DDATM即异步传输模式。最大ATM端口数是指一台ATM交换机或一台多服务多功能交换机所支持的最大ATM端口数量。最大SONET端口数DDSONET是Synchronous Optical Network的缩写，是一种高速同步网络规范，最大速率可达2.5 Gbps。一台以太网交换机的最大SONET端口数是指这台交换机的最大下联SONET接口数。
最大FDDI端口数DD是指一台FDDI交换机或一台多服务多功能以太网交换机所支持的最大FDDI端口数量。背板吞吐量（bps）DD也称背板带宽，是交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量。一台以以太网交换机配置的背板带宽越高，所能处理数据的能力就越强，但同时设计成本也会上去，
缓冲区大小DD有时又叫做包缓冲区大小，是一种队列结构，被以太网交换机用来协调不同网络设备之间的速度匹配问题。突发数据可以存储在缓冲区内，直到被慢速设备处理为止。
缓冲区大小要适度，过大的缓冲空间会影响正常通信状态下数据包的转发速度（因为过大的缓冲空间需要相对多一点的寻址时间），并增加设备的成本。而过小的缓冲空间在发生拥塞时又容易丢包出错。所以，适当的缓冲空间加上先进的缓冲调度算法是解决缓冲问题的合理方式。对于网络主干设备，需要注意几点：
每端口是否享有独立的缓冲空间，而且该缓冲空间的工作状态不会影响其它端口缓冲的状态；模块或端口是否设计有独立的输入缓冲、独立的输出缓冲，或是输入/输出缓冲；是否具有一系列的缓冲管理调度算法，如RED、WRED、RR/FQ及WERR/WEFQ等。
最大MAC地址表大小DD连接到局域网上的每个端口或设备都需要一个MAC地址，其它设备要用到此地址来定位特定的端口及更新路由表和数据结构。MAC地址有6字节长，由IEEE来分配，又叫物理地址。一个设备的MAC地址表大小反映了连接到该设备能支持的最大节点数。
最大电源数DD一般地，核心设备都提供有冗余电源供应，在一个电源失效后，其它电源仍可继续供电，不影响设备的正常运转。在接多个电源时，要注意用多路市电供应，这样，在一路线路失效时，其它线路仍可供电。
支持协议和标准DD一般指由国际标准化组织所制订的联网规范和设备标准。可根据网络模型的第1层、第2 层和第3层进行分类如下：
第1层：EIA/TIA－232、EIA/TIA－449、X.21、EIA530/EIA530A接口定义。
第2层：802.1d/SPT、802.1Q、802.1p及802.3x。
第3层：IP、IPX、RIP1/2、OSPF、BGP4、VRRP，以及组播协议等等。
display mac-address aging-time
【视图】
任意视图
【参数】
无
【描述】
display mac-address aging-time 命令用来显示 MAC 地址表动态表项的老化时
间，
相关配置可参考命令 mac-address，mac-address timer，display mac-address。
【举例】
# 显示 MAC地址表中动态表项的老化时间。
Mac address aging time: 300s
以上显示信息表示：MAC地址表中动态表项的老化时间为 300秒。
Mac address aging time: no-aging
以上显示信息表示：MAC地址表中动态表项不老化。
【命令】
display mac-address [ display-option ]
【视图】
任意视图
【参数】
display-option：表示可以有选择的显示部分MAC地址表信息，取值范围如表所示。
表 display-option参数取值及含义
取值 含义
mac-address [ vlan vlan-id ] 显示指定的MAC地址信息
{ static | dynamic | blackhole } [ interface
interface-type interface-number ] [ vlan
vlan-id ] [ count ]
显示动态、静态或黑洞MAC地址信息
interface interface-type interface-number
[ vlan vlan-id ] [ count ]
显示指定端口中的所有MAC地址信息
vlan vlan-id [ count ] 显示指定VLAN中的所有MAC地址信息
count 显示交换机MAC地址表项的总数量
statistics 显示交换机MAC地址表项的统计数据
mac-address：MAC地址。
static：静态表项，不会老化。
dynamic：动态表项，会被老化掉。
blackhole：黑洞 MAC地址表项，不会老化。
interface-type：端口类型。
interface-number：端口号。
vlan-id：指定的 VLAN ID，取值范围为 1～4094。
count：在显示信息中仅显示 MAC地址表的地址总数。
statistics：以统计数据的形式显示当前交换机中的MAC地址表项信息。
【描述】
display mac-address命令用来显示 MAC地址转发表的信息，包括 MAC地址所对
应 VLAN和以太网端口、地址状态（静态还是动态）、老化时间等。
【举例】
# 显示 MAC地址转发表的信息。
MAC ADDR VLAN ID STATE PORT INDEX AGING TIME(s)
000f-e20f-0101 1 Learned Ethernet1/0/1 300
表 display mac-address命令显示信息描述表
字段 描述
MAC ADDR MAC地址
VLAN ID MAC地址所在的VLAN ID
STATE MAC地址的状态，包括“Static”、“Learned”等
PORT INDEX 端口号
AGING TIME(s) 是否处在老化时间内
mac-address
【命令】
系统视图下的命令形式：
mac-address { static | dynamic | blackhole } mac-address interface
interface-type interface-number vlan vlan-id
undo mac-address [ mac-address-attribute ]
端口视图下的命令形式：
mac-address { static | dynamic | blackhole } mac-address vlan vlan-id
undo mac-address { static | dynamic | blackhole } mac-address vlan vlan-id
【视图】
系统视图/端口视图
【参数】
static：配置静态 MAC地址表项，
dynamic：配置动态 MAC地址表项。
blackhole：配置黑洞 MAC地址表项。
mac-address：MAC地址。
interface-type：端口类型。
interface-number：端口编号。
vlan-id：指定的 VLAN ID，取值范围为 1～4094。
mac-address-attribute：表示要删除的MAC地址属性的字符串，取值的情况如表所示：
表 mac-address-attribute参数的取值及含义
取值 含义
{ static | dynamic | blackhole }
interface interface-type
interface-number
删除指定端口上的静态、动态或黑洞MAC地址
{ static | dynamic | blackhole } vlan
vlan-id
删除指定VLAN中的静态、动态或黑洞MAC地址
{ static | dynamic | blackhole }
mac-address [ interface interface-type
interface-number ] vlan vlan-id
删除指定的静态、动态或黑洞MAC地址
interface interface-type
interface-number
删除指定端口上的所有MAC地址表项
vlan vlan-id 删除指定VLAN中的所有MAC地址表项
mac-address [ interface interface-type
interface-number ] vlan vlan-id
删除指定MAC地址的表项
【描述】
mac-address 命令用来在 MAC 地址转发表中添加/修改地址表项。undo
mac-address命令用来删除地址表项。
在端口视图下使用 mac-address命令添加或删除的 MAC地址表项，只在本端口上
生效，所以无需使用 interface参数。
如果输入的 MAC 地址在地址表中已经存在，系统将根据用户的配置，修改此地址
表项的相关属性。
用户可以删除某个端口上的所有 MAC地址（只能是单播 MAC地址），也可以选择
删除系统自动学习的地址、用户配置的动态地址、用户配置的静态地址或者黑洞地
华为交换机配置手册在基于IOS的交换机上启动VTP剪裁:
switch# vlan database
switch(vlan)# vtp pruning
在基于CL I 的交换机上启动VTP剪裁:
switch(enable) set vtp pruning enable
华为交换机配置手册在基于IOS的交换机上配置以太信道:
switch(config-if)# port group group-number
在基于CLI的交换机上配置以太信道:
switch(enable) set port channel moudle/port-range mode{on|off|desirable|auto}
华为交换机配置手册在基于IOS的交换机上调整根路径成本:
switch(config-if)# spanning-tree cost cost
在基于CLI的交换机上调整根路径成本:
switch(enable) set spantree portcost moudle/port cost
switch(enable) set spantree portvlancost moudle/port
华为交换机配置手册在基于IOS的交换机上调整端口ID:
switch(config-if)# spanning-treeport-priority port-priority
在基于CLI的交换机上调整端口ID:
switch(enable) set spantree portpri {mldule/port}priority
switch(enable) set spantree portvlanpri {module/port}priority
华为交换机配置手册在基于IOS的交换机上修改STP时钟:
switch(config)# spanning-tree hello-time seconds
switch(config)# spanning-tree forward-time seconds
` switch(config)# spanning-tree max-age seconds
在基于CLI的交换机上修改STP时钟:
switch(enable) set spantree hello interval
switch(enable) set spantree fwddelay delay
switch(enable) set spantree maxage agingtiame
华为交换机配置手册在基于IOS的交换机端口上启用或禁用Port Fast 特征:
switch(config-if)#spanning-tree portfast
在基于CLI的交换机端口上启用或禁用Port Fast 特征:
switch(enable) set spantree portfast {module/port}{enable|disable}
华为交换机配置手册在基于IOS的交换机端口上启用或禁用UplinkFast 特征:
switch(config)# spanning-tree uplinkfast
在基于CLI的交换机端口上启用或禁用UplinkFast 特征:
该系统基于视频触发,能对视频流中的一个或多个车辆进行实时的、准确的抓拍和识别。此外,采用视频检测技术对指定车道的各种违章车辆进行自动抓拍,对车辆牌照进行自动识别,并和管理数据库的数据进行比对,发现目标并及时记录车牌及其颜色、车速、路经时间、车型等,同时报警提醒执法人员对可疑车辆进行检查。不仅如此,该系统提供数据库支持、网络支持、现场报警等工作模块,可以充分实现全过程自动化处理。运用该系统,不仅可以大幅度提高效率,还大大减轻人力劳动,自动完成对车牌的高效识别。
系统需求
·智能车牌识别系统可分为前端信息采集系统、通信网络传输系统、中心管理应用系统三大部分。前端信息采集设备将采集到的数据转化成数字以太网的格式通过工业以太网传输到后台监控管理中心,所有视频及检测数据在中心统一接入系统专用的TCP/IP网络,实现实时监控、存储和检测应用
·通信网络传输系统需采用千兆以太网络可传输大量的照片和视频文件
·能适应严苛的现场应用环境,例如抗电磁干扰等
Moxa解决方案
在通信网络传输系统中,智能车牌识别系统其前端采集的信息基于一个可靠稳定的千兆级工业以太网进行数据传输,系统选择了Moxa EDS-510A/518A系列千兆网管型冗余工业以太网交换机,将现场高清数字摄像机采集的高清视频信号,以及其他检测设备采集的数据,通过工业以太网传输至后台管理中心。千兆网络传输能力允许数据和视频图像的实时传输,大大提高了对违章车辆的抓拍和监管、追踪工作。
在这个应用中,Moxa EDS-510A/518A网管型工业以太网交换机的千兆以太网端口可以用于组建千兆冗余环网Turbo Ring,且自愈时间<20ms,这样确保同时传输数据和视频图像的千兆以太网络得以可靠和稳定运行。并且,EDS-510A/518A网管型工业以太网交换机可通过网页浏览器和Windows utility进行各项管理设定让整个安装过程与后期维护更为快速和准确。
此外,由于应用现场处于室外,环境较为恶劣,Moxa EDS-510A/518A支持-40～75℃的宽温作业范围完全适用于现场环境。此外,产品具备IP30防护等级,并通过多种EMS认证,其工业化设计大大满足现场应用。EDS-510A/518A网管型工业以太网交换机还可通过E-mail、继电器输出等方式实现自动报警,便于应用工程师快速进行故障排解。
不仅如此,对一部分串口设备来说,Moxa还提供了NPort 5230串口设备联网服务器,在应用现场,可以将RS-232/422/485串口设备连接至以太网,其具有Moxa专利的自动数据流向功能(ADDCTM),所有串口均自带15KVESD保护,确保数据传输和通讯的稳定。
为什么选择Moxa?
·EDS-510A/518A系列交换机可以组成千兆以太网络,完全满足视频数据的大带宽需求
·Moxa交换机宽温设计,抗电磁干扰设计可以完全适应恶劣环境
·EDS-510A/518A系列交换机无风扇和低功耗的设计有力保证了设备运行可靠、稳定,其MTBF均达20年以上
·EDS-510A/518A系列交换机还可以通过E-mail、Relay、OPC data等三种方式发送故障报警信息,SNMP Trap还可有效捕捉故障点
·工程师不但能够采用Web方式管理、配置EDS-510A/518A系列交换机,而且可以通过以SNMPOPC Server软件集成的网络监视软件实时监控网络的每个端口的状态。
EDS-510A
·3个千兆口和7个快速以太网口
·支持Turbo Ring(自愈时间<20ms)、RSTP/STP(IEEE802.1W/D)以太网冗余协议
·支持QoS,IGMPsnooping/GMRPVLAN,LACP,SNMPV1/V2c/V3,RMON
·宽温可达-40～75℃
EDS-518A
·2个千兆口和16个快速以太网口
·支持Turbo Ring(自愈时间<20 ms)、RSTP/STP(IEEE802.1W/D)以太网冗余协议
·支持QoS,IGMPsnooping/GMRPVLAN,LACP,SNMPV1/V2c/V3,RMON
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信息化带动工业化加速航空工业发展02-20
制糖工业分析试题06-20
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工业投资项目分析12-16
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