工业以太网中STP、RSTP和MSTP的区别
工业以太网中STP、RSTP和MSTP的区别

工业以太网中的STP、RSTP和MSTP,都是用于在网络中防止环路形成的协议,它们在功能和性能上有一些显著的区别。让我们一一详细讨论它们的区别:

STP(Spanning Tree Protocol):

STP是标准生成树协议,也是最基本的协议,它的主要目的是消除网络中的环路,防止广播风暴的产生。它通过禁止某些端口的转发来确保网络中只有一个活跃路径。当网络中的某个链路失败时,STP会重新计算路径,选择另一个路径来确保通信不中断。但是STP的收敛速度较慢,因为它在计算新路径之前需要等待一个固定的时间间隔。

STP在网络中使用一个根桥(Root Bridge)和多个非根桥(Non-Root Bridge)来确定路径。所有的交换机都通过BPDU(Bridge Protocol Data Unit)来交换信息,以确定最佳路径。

RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol):

RSTP是快速生成树协议,它是STP的改进版本,旨在提高收敛速度。它通过引入一些新的机制来实现快速收敛,例如端口状态的改变和BPDU的传输频率增加等。

RSTP可以更快地检测到链路故障,并且可以在几乎没有延迟的情况下重新计算路径,从而大大缩短了网络恢复正常操作所需的时间。

MSTP(Multiple Spanning Tree Protocol):

MSTP即多生成树协议,它进一步扩展了STP和RSTP的功能。MSTP允许在一个交换环境中运行多个生成树,每个生成树称为一个实例。通过划分多个MST域和MSTI(多生成树实例),MSTP将路由环路网络修剪成一个无环的树形网络,每个实例可以在网络的不同部分运行独立的树拓扑,避免了广播风暴的产生。同时,MSTP还提供了数据转发的多个冗余路径,实现了VLAN数据的负载均衡。MSTP兼容STP和RSTP,因此在升级或迁移网络时具有更好的灵活性。

STP、RSTP和MSTP的更多区别

除了收敛速度之外,STP、RSTP和MSTP在端口状态转换速度、带宽利用、可扩展性和管理复杂性等方面也存在一些区别。在选择合适的协议时,需要综合考虑网络的规模、复杂性、性能需求以及管理方面的考虑。

端口状态转换速度:

STP需要经历阻塞、学习和转发三个状态的转换,因此端口状态转换的速度相对较慢。

RSTP通过引入了新的端口状态(如Discarding、Learning、Forwarding),可以更快地完成端口状态的转换,从而加速网络的收敛。

MSTP在端口状态转换方面与RSTP类似,因为它是RSTP的扩展。

带宽利用:

在STP中,只有一条活动路径,因此网络的带宽利用率可能较低。

RSTP和MSTP通过更快地重新计算路径来提高网络的带宽利用率,因为它们可以更快地恢复到活动状态。

可扩展性:

STP在大型网络中的可扩展性较差,因为它只支持单个生成树实例。

RSTP和MSTP在这方面更具优势,因为它们支持多个生成树实例,并且可以更好地管理大型网络。

管理复杂性:

MSTP在管理方面相对更复杂,因为它涉及到创建和维护多个生成树实例,需要更多的配置和管理工作。

RSTP相对于STP和MSTP在管理上可能更简单,因为它只是STP的改进版本,不涉及多个实例的管理。

总结:

STP、RSTP和MSTP在工业以太网中都扮演着重要的角色。STP作为基础协议,为网络提供了基本的环路容错机制;RSTP通过优化收敛速度,提高了网络的恢复能力;而MSTP则通过支持多个生成树实例和VLAN映射,实现了更高级别的网络优化和负载均衡。这些协议共同确保了工业以太网的稳定运行和高效数据传输。在选择使用哪种协议时,应考虑网络的规模、复杂性和对收敛速度的要求。对于大型网络和对快速恢复有较高要求的情况,通常会选择使用RSTP或MSTP。

前言

TSN(Time-Sensitive Networking)时间敏感网络是国际IEEE802.1工作组开发的一套协议标准,是一种在传统的非确定性以太网技术中实现业务传输确定的最小时延的协议族,为标准以太网增加了确定性和可靠性,是一种进一步提高工业网络的可用性和可控性的技术手段。

在目前国内工业通信的传统应用中,工业以太网设备,例如工业以太网交换机,在前十年里,和普通商用交换机相比,主要的差异性是在交换机的温度适应性、结构和安装以及整机的EMC抗扰度等硬件特性上加以区分,在未来工业通信的发展上,工业以太网交换机将融合TSN技术,精准、精确的工业自动化系统的关键性控制和集采业务报文进行同步和控制,保证工业通信网络最小的时延和抖动,最终提高整体工业网络的稳定性和可靠性,TSN技术作为下一代工业交换机的关键技术指标,是未来严格区分普通交换机的重要功能之一,其本身也是属于传统以太网的扩展功能的子集。

TSN确定性网络解决的问题

1、CSMA/CD(载波侦听多路访问和冲突检测)技术

以太网通信在我国已经发展几十年,属于非常成熟的通信技术,是基于CSMA/CD技术承载于双绞线(UTP线缆)进行组网和通信的,但是采用串行方式进行传输带来的问题是多设备共享,这既是以太网的优势,同时也是工业以太网的劣势,因为所有的发射端没有基于时间的流量控制,采用尽力而为的转发机制,导致了不同设备的数据流在时间上产生叠加,虽然有QoS优先级机制或者缓冲区机制来进行保障,但是在网络负荷较重的时候,会出现业务的转发延迟变高,甚至会被丢弃。

TSN技术解决的问题

2、工业以太网的互操作性瓶颈

随着国际上大力发展工业互联网和工业4.0,工业通信业务的发展对网络基础设施提出了更高的要求和需求,我们国内的工业网络也呈现出融合、开放和灵活的OT+IT结构发展。

在传统的工业以太网,例如EtherCAT、Profinet、CC-Link、ModBus等技术中,虽然提供了确定性连接和延迟的保证,但是各个协议之间不能进行互操作,导致整个网络结构不灵活。

TSN交换机解决工业以太网的互操作性瓶颈
TSN交换机解决工业以太网的互操作性瓶颈

TSN技术包含了IEEE802.1AS、IEEE802.1Qbv等多种协议标准,是属于传统以太网的扩展子集,具备很强的通用性和操作性,同时也满足网络连接的确定性和延迟的保证性。

光路科技TSN解决方案

光路科技FR-TSN系列时钟敏感网络交换机是集成了TSN协议栈技术的卡轨式管理型工业以太网交换机,该系列TSN交换机具有确定性和微秒级交互特性,提供丰富的网络接口,例如10GBase-X SFP+接口、100/1000Base-X SFP接口和10/100/1000Base-TX 电口,支持IEEE802.1AS、IEEE802.1Qbv等协议,并支持RSTP/MSTP、VLAN、组播、QoS等丰富的二层软件特性。

光路科技TSN交换机
光路科技TSN交换机

FR-TSN系列工业以太网交换机采用导轨式IP40铝合金外壳设计,具备极端的环境温度适应性和优良的EMC电磁兼容抗扰性设计,可在恶劣工业环境下稳定可靠的工作,FR-TSN系列产品作为下一代工业网络的演进方向产品之一,是未来引发无人驾驶、边缘计算、虚拟现实等领域技术落地的工业交换机产品,也是对工控领域的离散型工业通信进行数字化转型和智能制造升级的利器。光路科技致力在电力、交通、5G融合网、工业精密制造、汽车无人驾驶以及军工船载等领域,持续为客户提供针对传输时间具有高稳定性、可操作性要求的各种网络的可靠解决方案。

工业以太网

什么是工业以太网?

工业以太网是一种用于工业控制系统的网络通信协议,它在现代制造业中扮演着非常重要的角色。它基于以太网技术,将其应用于工业环境中,以实现高速、可靠、安全的数据传输。相较于传统的专用工业网络,工业以太网具有更大的带宽、更低的成本以及更好的扩展性,因此被广泛应用于各种工业领域。

工业以太网的核心优势之一是其高速数据传输能力。它支持千兆以太网或更高速率的通信,使得实时监测、远程控制和数据采集等任务能够以极低的延迟完成。这对于工业自动化和过程控制非常重要,能够确保生产系统的高效运行,并实现对生产过程的精确控制。

另一个工业以太网的关键特点是其可靠性和稳定性。在工业环境中,网络通信必须能够应对电磁干扰、温度变化、振动和噪声等各种干扰因素。工业以太网通过采用抗干扰技术和可靠的通信协议,确保数据传输的稳定性和可靠性。此外,工业以太网还支持网络冗余和备份机制,以提供高可用性和容错能力,即使在部分网络故障的情况下也能保持通信的连续性。

工业以太网的安全性也备受重视。在现代制造业中,许多关键的生产数据和机密信息需要在网络中传输。工业以太网采用各种安全机制,如身份验证、数据加密和访问控制等,以确保数据的机密性和完整性。这有助于防止未经授权的访问和潜在的网络攻击,保护生产系统的稳定运行和知识产权的安全。

以太网电缆

在工业以太网中,选择适合的以太网电缆是确保高速、可靠通信的重要一环。工业以太网常用的电缆类型包括铜缆和光纤缆。铜缆通常采用双绞线,其中CAT5e、CAT6和CAT6a是常见的规格,它们提供了不同的传输速率和距离要求。光纤缆则通过光信号传输数据,具有高带宽、抗电磁干扰能力强的优势,适用于长距离传输和恶劣环境。

工业以太网交换机

工业以太网交换机是构建工业以太网网络的关键设备之一。它具有多个端口,用于连接各种工业设备、传感器和控制器。工业以太网交换机支持快速数据包转发和流量管理,保证数据的实时性和稳定性。此外,一些工业以太网交换机还提供网络冗余技术,如RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)和PRP(Parallel Redundancy Protocol),以确保网络的高可用性和容错性。

工业以太网交换机

光路科技在工业以太网交换机的研发和生产方面已经取得了各项突破。在工业以太网交换机的研发方面,光路科技密切关注工业应用的需求,针对高速数据传输、实时性和可靠性等方面进行了深入研究,通过引入先进的硬件和软件技术,使工业以太网交换机具有卓越的性能和稳定性,能够满足复杂工业场景中的数据通信需求。通过与不同行业的合作伙伴紧密合作,光路科技的工业以太网交换机能够适应不同行业的特殊需求,如制造业、交通、能源电力等领域。

工业以太网的未来

随着工业4.0和智能制造的兴起,工业以太网的应用领域也在不断扩大。它已经成为实现智能工厂和物联网的关键技术之一。通过将各种设备、机器人和传感器连接到统一的工业以太网网络中,企业可以实现设备的远程监控、大数据分析和实时决策。这为生产流程的优化、效率的提高和质量的保证提供了强有力的支持。

工业以太网作为关键的工业通信技术,正不断发展和演进,以满足未来工业的需求。以下是工业以太网的未来发展趋势:

更高的速率和带宽:随着工业应用中数据量的增加和对实时性的要求,工业以太网将朝着更高速率和更大带宽的方向发展。例如,千兆以太网(GbE)和万兆以太网(10GbE)已经广泛应用,未来可能会出现更高速率的以太网标准。

支持时间敏感网络(TSN):时间敏感网络是一种技术,旨在通过在以太网上提供严格的时间同步和低延迟来满足实时应用的需求。TSN交换机也慢慢从测试阶段走到了应用阶段,TSN将在工业以太网中扮演重要角色,为实现高精度控制、机器人协作和工业自动化等应用提供支持。

结合5G技术:随着5G技术的普及,工业以太网与5G将进一步融合,形成更加强大和灵活的通信基础设施。这将带来更高的移动性、更广的覆盖范围和更低的时延,推动工业物联网和智能制造的发展。

安全性和网络管理:随着工业网络的扩展和连接设备的增加,工业以太网的安全性和网络管理变得更加重要。未来,工业以太网将注重加强网络安全机制,如身份认证、数据加密和安全监控,以应对日益复杂的网络威胁和攻击。

综上所述,工业以太网作为一种现代制造业中不可或缺的通信技术,具有高速、可靠和安全的特点,为工业自动化和智能制造提供了基础设施。它不仅可以提高生产效率和质量,还为企业创造了更大的竞争优势,推动着制造业的持续发展和创新。

时间敏感网络(TSN)是一项仍在开发中的新兴技术,首个TSN标准于2017年发布以来,越来越多的行业领域开始探究TSN的技术应用,2023年,光路科技加大了TSN技术的研发力度,TSN技术在工业以太网和TSN交换机的应用方面将会有新的探索和进展。

TSN技术-工业以太网

TSN技术的关键优势

TSN是一组用于改善工业网络中同步和确定性通信的技术。TSN基于IEEE 802.1AS,它定义了一种支持精确定时和同步的新型以太网。TSN允许创建比传统以太网网络更具确定性和响应性的网络。这使得TSN成为需要低延迟和高可靠性的应用的理想选择,例如工厂自动化、高速公路、汽车网络和航空航天。

与传统以太网相比,TSN提供了几个关键优势。

首先,TSN使用时间感知调度程序来确保数据包在正确的时间传输。这样可以更精确地控制数据包的发送和接收时间,这对于需要低延迟的应用程序至关重要。其次,TSN使用一种称为时间触发发送的机制来确保数据包始终在正确的时间发送。这样可避免重新传输导致的延迟。第三,TSN使用一种数据流保留机制来保证属于特定流的数据包将始终按顺序传输。这对于需要确定性通信的应用程序来说,是必不可少的。

TSN技术的主要趋势

TSN网络技术有三个主要趋势:

1. 转向以太网: 第一个趋势是从专有网络转向以太网。这是由对更高带宽的需求和利用以太网提供的规模经济的愿望所驱动的。

2. 对更精确计时的需求: 第二个趋势是对更精确计时的需求。这是由于越来越多地使用时间敏感的应用程序,如IP语音和视频会议。

3.软件定义网络的兴起: 第三个趋势是软件定义网络的兴起。这是由对更大灵活性的需求和利用虚拟化优势的愿望所驱动的。

TSN技术加快工业4.0数字化转型

TSN时间敏感网络将逐渐被添加到工业以太网中,为自动化和控制应用提供前所未有的确定性性能水平,从而加快实现IT-OT融合和工业4.0数字化转型。

工业4.0数字技术有可能改变现代制造业,并实现企业IT和OT运营的融合。制造网络上的数据已经出现了“爆炸”,但管理这些数据需要融合的高带宽网络基础设施和增值的数字化转型战略。

融合允许设备和系统共享相同的网络架构进行通信,避免了多个网络的复杂性和成本。但是理想的系统应该提供高速、实时的确定性通信的基础,允许整个企业共享数据。最终目标是完全优化操作所需的流程透明度,允许数据从源头流向可以处理的地方,以获得可操作的见解,然后反馈到流程中。

TSN网络技术将为制造业带来诸多好处:

TSN工业交换机
Fiberroad TSN工业交换机

时间敏感网络包含了一组主要的国际标准,这些标准定义了时间同步方法(IEEE802.1AS)和工业网络上形成、调度和管理网络流量的技术(IEEE802.1Qbv)。它们共同提供了确定性的工业以太网技术,作为融合网络体系结构的基础。

对于当今工厂中的典型制造系统,实时关键应用(包括闭环控制和高性能运动控制)的数据传输在单独的网络中实现。然而,工作流程日益增长的灵活性和数字化要求IT和OT的日益融合,以及整合以前独立系统的能力。 通过扩展和适应现有的以太网标准,TSN实现了工业网络上IT和OT的融合。其结果是实时关键数据和数据密集型应用程序都可以通过共享的以太网电缆实现,而不会相互干扰。

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