什么是工业以太网交换机？以太网交换机是一种常见的网络设备，而工业以太网交换机，是具有工业级特性的以太网交换机，在轨道交通、智能制造、智慧矿山、工业自动化控制系统中，它起到了至关重要的作用。随着工业自动化程度的不断提高，对于工业以太网交换机的要求也越来越高。本文将从工业交换机的原理、优势、特点、应用以及未来发展趋势等方面详细介绍工业以太网交换机。

工业以太网交换机的工作原理

工业以太网交换机通过物理接口与各种工业设备连接，例如传感器、PLC、人机界面等。当工业设备之间需要进行通信时，它们将数据包发送到工业以太网交换机，交换机根据MAC地址识别数据包的目的地，将数据包转发到相应的端口。

工业以太网交换机在传输数据时，可以通过存储转发、直通转发、无碎片转发等多种技术来实现数据包的快速传输。在转发过程中，工业交换机采用了流控制、拥塞控制、错包重传等技术，确保数据传输的稳定和可靠。并且通过支持各种冗余技术和工业协议，提高了网络的可靠性、稳定性和兼容性，从而适应了各种工业现场的数据通信需求。

工业以太网交换机相对标准以太网交换机有何优势？

相对于标准以太网交换机，工业以太网交换机具有以下几个优势：

1. 耐高低温能力强：工业交换机最基本的特点就是它的工业级特性，比如光路科技生产的工业以太网交换机皆采用宽温设计，可以在-40℃到75℃的温度范围内正常工作，再加上坚固的IP40防护设计，可以使它适应恶劣的工作环境。
2. 抗干扰能力更强：工业现场环境通常存在强烈的电磁干扰，而工业级以太网交换机采用了抗干扰技术，能够有效地抵御这些干扰，从而保证了数据的可靠传输。
3. 更高的可靠性和稳定性：工业以太网交换机采用了多种冗余技术，如环网冗余、链路冗余、设备冗余、电源冗余等，能够在网络故障或设备故障时，实现快速的自动切换，从而提高了网络的可靠性和稳定性。
4. 支持更广泛的工业协议：工业以太网交换机不仅支持标准的以太网协议，还支持各种工业协议，如Modbus、PROFINET、EtherNet/IP等，能够满足工业现场的各种数据通信需求。
5. 更高的安全性：工业以太网交换机采用了各种安全措施，如VLAN隔离、MAC地址过滤、IP地址过滤、数据加密等，能够有效地保护工业现场网络的安全，防止未授权的访问和数据泄漏。

总之，相对于标准以太网交换机，工业以太网交换机在智慧交通、工业自动化领域具有更高的可靠性、稳定性、安全性和兼容性，能够更好地满足工业现场的各种数据通信需求。

相关阅读：

为什么选择工业以太网交换机？
使用工业以太网交换机有哪些好处？
工业以太网相对标准以太网有什么区别？

工业以太网交换机的特点

高效性

工业以太网交换机支持全双工通信，能够同时进行发送和接收，数据传输速度快，能够满足工业应用中的高速数据传输需求。同时，它还支持802.1Q VLAN和802.1p QoS等技术，可以实现多种数据流的优先级设置，确保网络数据传输的效率。

可靠性

工业以太网交换机采用了多种技术，如冗余备份、流控制、数据帧过滤等，确保网络数据传输的可靠性和稳定性。在网络异常或设备故障时，它还可以通过RSTP、ERPS等协议，实现快速网络恢复和设备切换，保障工业控制系统的连续性和稳定性。

安全性

工业以太网交换机支持多种安全协议，如802.1x认证、VPN、IPSec等，可以防止非法用户和攻击者对网络进行攻击和入侵。同时，它还支持ACL访问控制列表、端口安全等技术，可以控制用户的访问权限，保证网络的安全性。

易用性

工业以太网交换机提供了友好的管理界面，可以通过Web界面、SNMP等方式进行管理和监控。同时，它还可以支持自动发现和自动配置，可以快速地将新设备接入网络，提高了网络的易用性和管理效率。

工业以太网交换机的应用

工业以太网交换机广泛应用于工业控制、制造业、能源电力、智慧交通、智能煤矿等领域。它可以支持工业自动化系统中各种传感器、执行器、PLC等设备的数据通信，提高生产效率和质量。同时，它还可以支持实时视频监控、远程维护等应用，提高了系统的可靠性和安全性。在能源、轨道交通等领域，工业交换机还可以支持智能电网、智慧交通等应用，为城市和国家的可持续发展做出贡献。

智能制造

工业以太网交换机被广泛应用于制造业中的各种工业控制系统，如自动化生产线、机器人控制系统、数控机床控制系统等，能够提高制造过程的效率和精度。

轨道交通

工业以太网交换机可以应用于轨道交通、公路交通、智慧高速等各种交通运输系统中，例如火车信号系统、地铁控制系统、交通信号灯控制系统等，能够提高交通运输的安全性和可靠性。

能源电力

工业以太网交换机可以应用于各种能源电力系统中，例如智能电网里的发电厂控制系统、变电站控制系统、电网监控系统等，能够提高能源电力系统的可靠性和安全性。

智慧矿山

工业以太网交换机在智慧矿山、智能煤矿网络中起着关键作用，配合井下的本安型工业交换机，为煤矿安全监控系统、矿用广播通信系统、矿用人员定位系统及煤矿综合自动化系统等矿用系统提供了可靠的数据传输。

石油化工

工业以太网交换机可以应用于石油化工生产中的各种自动化控制系统，例如炼油厂控制系统、化工厂控制系统等，能够提高生产过程的效率和安全性。

智慧水务-环保水处理

工业以太网交换机可以应用于各种环保水处理系统中，例如水处理厂控制系统、污水处理厂控制系统等，能够提高水处理过程的效率和可靠性。

总之，工业交换机的应用将会越来越广泛。光路科技的研发团队已将时间敏感网络TSN技术加入到工业以太网交换机，随着超低延时的TSN交换机技术的不断成熟，低延时工业交换机将在全球范围内出现更多需求场景。

工业以太网交换机的未来发展趋势

随着工业自动化的不断发展和智能制造的推进，工业以太网交换机在未来的应用中将具有更多的发展机遇和挑战。其中，以下几个方面是工业以太网交换机未来发展的趋势。

网络虚拟化

随着工业自动化系统规模的不断扩大，网络虚拟化将成为未来的发展方向。工业以太网交换机将需要支持更多的虚拟网络，以提高网络资源的利用率和灵活性。

机器学习与人工智能

机器学习和人工智能将成为未来工业以太网交换机的重要技术。通过对网络数据的实时监测和分析，可以实现自动化的网络优化和故障诊断，提高系统的可靠性和稳定性。

安全性

工业以太网交换机的安全性将越来越重要。随着网络攻击和入侵的不断增多，工业以太网交换机需要支持更多的安全技术和协议，以确保网络的安全性和稳定性。

新兴技术的应用

随着新兴技术的不断涌现，如5G、物联网、边缘计算、区块链等技术，工业以太网交换机将需要支持更多的新兴技术的应用，以实现更高效、更安全、更智能的工业自动化系统。

综上所述，工业以太网交换机是工业自动化控制系统中的一种重要网络设备，具有高效性、可靠性、安全性和易用性等特点，广泛应用于智能制造、工业自动化、智能电网、智慧交通、智慧矿山等领域。随着工业自动化的不断发展和智能制造的推进，工业交换机在未来的应用中将具有更多的发展机遇和挑战。我们期待着工业以太网交换机在未来能够在网络虚拟化、机器学习与人工智能、安全性和新兴技术的应用等方面取得更多的进展和成果，为工业4.0时代的技术发展做出更大的贡献。

基于 TCP/IP 的控制网络的构建方式与基于串行的网络类似，传统串行网络通常涉及线性拓扑、被动节点和共享寻址空间，尽管这些设计适用于现代以太网控制网络，但它们并不是最优方案，比如会存在难以管理的网络基础设施。

基于以太网的OT网络的核心是以太网交换机。以太网交换机有多种类型，按管理方式分类的话，可分为无需配置的非网管型交换机和需要复杂配置的网管型交换机，网管交换机也包含了三层交换机。非网管型交换机不需要复杂的设置即可使用，看似最好的选择，但在考虑环境需求和交换机功能时，网管型交换机通常是最佳选择。

网管型工业交换机的可扩展性和冗余

配置了网管型工业交换机的可扩展网络，可以对网络灵活扩展。最常用的功能是网络分段，它使用VLAN技术在逻辑上分离流量，并使工厂单元和区域彼此分开。通过将工厂车间组织成相关分组，它可以更顺利的在整个拓扑中垂直和水平增长。此外，网管型交换机往往可以支持STP、RSTP、ERPS等冗余技术，以便更好地使用冗余链路，即使在硬件或链路故障的情况下也能保持良好的网络性能。

高效排障 不间断作业

当制造因网络问题而停止时，对连接进行故障排除并使制造流程重新上线是关键任务。即使是简单的网络拓扑结构，通常也比它们最初看起来要复杂得多，它携带隐藏的协议和控制数据，可以深入了解可能导致网络问题的原因。网管型交换机提供了对这些协议的可见性，并且可以向用户指出问题的确切位置，以便准确的解决问题。

例如，在许多端点连接的网络中，重复的 IP 地址可能会造成严重破坏，并且难以追踪。使用网管型交换机，用户可以检查工业交换机上的ARP（地址解析协议）表，以识别共享相同IP的硬件地址，并按照MAC地址表，找到错误配置的终端插入的确切端口。用户甚至可以立即采取措施，暂时关闭端口，直到问题得到解决。所有这些都可以远程完成，不需要工程师亲自在站在工业交换机前。

为工业自动化设备提供安全保障

工业控制系统（ICS）网络中的网络安全由全球公认的标准（如 ISA/IEC 62443）驱动，而网管型交换机为加强整体 OT 安全态势的可见性和控制提供了基础。但是，随着信息安全部门在保护OT方面发挥更积极的作用，需要对工业自动化设备特有的漏洞进行更全面的监控和洞察。

现代 ICS 安全和可视性工具使用称为“连续数据包捕获”的技术。这些工具侦听网络上的所有通信，并识别数据包级别的趋势和偏差。这可以通过配置工业交换机端口镜像来实现，或者将网络数据包的副本发送到监控和分析流量的目的地。可以灵活地将端口镜像直接添加到生成流量的位置，这为信息安全专业人员提供了他们所需的数据，以协助OT同行保护工厂车间。

智能制造离不开网管型工业交换机

IT/OT融合势在必行，许多IT技术在OT领域变得越来越重要。例如，网络自动化在OT网络中开始变得越来越普遍。这里的自动化是指计划配置备份和更新、自我修复网络拓扑以及基础结构中物理和虚拟设备的高效管理等项目。甚至一些大型ICS供应商也在推动客户利用基础设施作为代码，这意味着通过代码来管理和配置基础设施，而不是像在许多OT环境中那样通过手动流程来完成。

智能制造的一个重要目标，是实现传统ICS网络的现代化，因此选择合适的网管型交换机对于成功的智能制造至关重要。往往谈论到智能制造，大多是访问机器数据如何进行高级分析和控制等话题，但作为信息驱动的基础，网管型工业交换机同样值得关注。

在工业4.0的大环境下，很多制造商开始利用工业物联网（IIoT）技术来优化生产和运营，从而部署了更高效的设备，同时也需要更快速的网络来保证机器人的高效工作。传统以太网协议已经很难支撑现有的新技术和新设备，这时则需要有一套兼容性高的技术能支持时钟同步及复杂的协议，以实现时间敏感数据的实时传输，这时就用到了TSN技术。

光路科技推出TSN交换机

经过长期的研发和测试，光路科技为智能制造、智能电网、轨道交通及其它5G应用提供了时间敏感型数据传输解决方案，推出了TSN系列交换机，它们具有确定性时延以及多协议传输能力，这些TSN交换机的低延迟、低抖动、高可靠性能，保证了数据的确定性传输和网络复用性。

TSN交换机的主要特色

TSN的全称Time Sensitive Networking，即时间敏感网络，是IEEE定义的标准技术，位于OSI模型的第2层（数据链路层），用于扩展当前以太网网络的功能，可在标准以太网上实现确定性消息传递。TSN技术通过利用时间同步方法（IEEE 802.1AS）和分时方法（IEEE 802.1Qbv）来确保确定性通信。

相比传统以太网通信，TSN技术可以混合实时通信和非实时通信。TSN能够将确定性服务降到微秒级，降低整个通信网络复杂度，实现信息技术 (IT)与运营技术(OT)融合，其具有精准的时钟同步能力，确定性流量调度能力，以及智能开放的运维管理架构，可以同时保证多种业务流量的高质量传输，不但提高了性能，而且减少了成本。

下表是光路科技TSN交换机支持的IEEE802.1关键协议：

IEEE 802.1AS	generalized Precision Time Protocol 通用精确时间协议。确保时钟同步，并达到微秒级甚至纳秒级的精度误差。
IEEE 802.1Qbv	Enhancements for Scheduled Traffic 增强预定流量，通常也被称为时间感知流量整形（TAS）。
IEEE 802.1Qcc	SRC增强功能和性能改进
IEEE 802.1Qav	队列及转发协议。时间敏感流的转发和排队增强（FQTSS）
IEEE 1588 (PTP V2)	Precision Time Protocol 精确时间同步协议。

TSN交换机将面向更多应用

新的工业控制需求，已经不允许在网络停止运行期间进行网络配置。光路科技的TSN交换机，通过IEEE 802.1Qcc 引入集中网络控制器（centr alized network configuration，CNC）和集中用户控制器（centralized user configuration，CUC）来实现网络的动态配置，可以在网络运行时灵活地配置新的设备和数据流，保证设备高效运行。

TSN技术已经在汽车网络开始应用，而在工业自动化、智能电网及诸多的5G NR网络还属于起步阶段。光路科技将根据各个行业实际应用场景进行研发，进行定制化解决方案研究，并推出面向不同行业领域的TSN交换机。