关于工业以太网物理层的几个问题

    2007年3月，以生产电缆和布线系统著名的BELDEN公司以约2.6亿美元的现金价收购了全球领先的工业网络解决方案提供商HIRSCHMANN，此举让业界大大意外：一个原来只在物理层做生意的公司购并了目前工业网络的领导级公司，这足以让我们重新关注ISO的最低一层，也是最易让人忽略的一层——物理层。   由于处于ＯＳＩ的工业以太网的物理层，规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性，该层为数据链路层路层协议提供了一个传输数据的物理媒体，这一层因为相对简单而被忽略。所以本文我们将重点讨论工业以太网物理层，针对适应工业环境和系统的要求而采用的一些特殊技术，以及工业网络未来物理层的变化。   事实上，以太网技术已诞生近三十年，这期间它在最初的半双工，介质共享的技术基础之上，已被多次改良优化。尤其是从1994年开始,以太网由于采用了10/100BASE-T技术,使得它从ATM，ＦDDI，TOKEN RING　等网络操作系统大战中脱颖而出，至今已成为 LAN（ocal Area Network）和WAN（Ｗide Area Network）市场的首选，广泛商业化的运用又使该项标准成为一个高带宽、高速度的网络技术。工业化应用后以太网仍可以被视为一种非常有效的网络，但前提是在以太网多年演进中积累的诸多技术中选用一组有效技术进行组合应用。   工业网络的物理层主要包含工业网络走线（布线）、网络拓扑结构及带NIC(网络控制器)的前端设备。另外对于布线系统中的线缆媒介以及连接器等工业自动化工程师熟悉的细节问题本文不在赘述。，只讨论工业网络走线（布线）、网络拓扑结构及带NIC(网络控制器)的前端设备的工作机制问题。 一、关于工业网络布线    物理层的布线系统应该包含有线网络和无线网络两种布线系统，这里暂时只对有线工业网络的布线系统进行描述。   工业以太网物理层的布线与商用网络最大的区别在于布线对象和布线环境不同．其中关于工业网络布线环境的问题，研究颇多，这里也不在赘述。   布线对象   商用网关于布线系统在1991年由AT&T(现在AVAYA公司前身)公司给出过很好的定义。 商用布线系统是针对建筑物或建筑群为对象的网络布线系统。   它既使话音和数据通信设备、交换设备和其它信息管理系统彼此相连，也使这些设备与外部通信网络相连接。它包括建筑物到外部网络或电话局线路上的连线点与工作区的话音或数据终端之间的所有电缆及相关联的布线部件。为按校园布局建造的建筑物或建筑群提供服务的系统既不包括电话局网络设施，也不包括连接到布线系统的交换装置，如：专用小交换机、数据分组交换设备或终端设备本身。布线系统由不同系列的部件组成，其中包括：传输介质、线路管理硬件、连接器、插座、插头、适配器、传输电子线路、电气保护设备和支持硬件。这些部件被用来构建各种子系统，它们都有各自的具体用途，不仅易于实施，而且能随通信需求的改变而平稳过渡到增强型布线技术。一个设计良好的布线系统对其服务的设备有一定的独立性，并能互连许多不同的通信设备，如数据终端、模拟式和数字式电话机、个人计算机和主机、以及公共系统装置。   要重视并预测工业以太网的物理层的未来，就应该好好研究一下以太网的物理层系统；要研究以太网的物理层布线系统，就应该从AVAYA的SYSTIMAX PDS系统开始。   SYSTIMAX PDS 系统   建筑物综合布线系统可以划分为6个子系统：   * 工作区子系统   * 水平布线子系统   * 干线子系统   * 设备间了系统   * 管理子系统   * 建筑群子系统    通信和数据处理系统的各种需求就确定了所需的子系统。从理论上讲，大型通信系统可能需要用铜介质和光纤介质部件把全部上述子系统集成在一起。   工作区子系统   工作工布线子系统由终端设备连接到信息插座的连线（或软线）组成，它包括装配软线、连接器和连接所需的扩展软线，并在终端设备和I/O之间搭桥。在进行终端设备和I/O连接时，可能需要某种传输电子装置，但是这种装置并不是工作区子系统的一部分。例如，有限距离调制解调器能为终端与其它设备之间的兼容性和传输距离的延长提供所需的转换信号。有限距离调制解调器不需要内部的保护线路，但一般的调制解调器都有内部的保护线路。
  水平布线子系统   水平布线子系统是整个布线系统的一部分，它将干线子系统线路延伸到用户工作区。水平布线子系统与干线子系统的区别的于：水平布线子系统总是处在一个楼层上，并端接在信息插座上。在现有建筑物内， 子系统都由25对线的电缆组成;而SYSTIMAX PDS将上述的电缆数限制为4对UTP（非屏蔽双绞线），它们能支持大多数现代通信设备。在需要某些宽带应用时，可以采用光缆。   从用户工作区的信息插座开始，水平布线子系统在交连处端接;或在小型通信系统里，在以下任何一处进行互连：卫星接线间、干线接线间或设备间。在设备间中，当终端设备位于同一楼层时，水平布线子系统将在布线交连处端接。在上面几个楼层上，它将在干线接线间或卫星接线间的交叉连接处端接   管理子系统   管理子系统由交连、互连和I/O组成。管理点为连接其它子系统提供连接手段。交连和互连允许你将通信路定位或重定位到建筑物的不同部分，以便能更容易地管理通信线路。I/O位在用户工作区和其它房间，使你在移动终端设备时能方便地进行插拔。   在使用跨接线或插入线时，交叉连接允许你将端接在单元一端的电缆上的通信线路连接到端接在单元另一端的电缆上的线路。跨接线是一根很短的单根导线，可将交叉连接处的两条导线端点连接起来;插入线包含几根导线，而且每根导线末端均有一个连接器。插入线为重新安排线路提供一种简易的方法，而且不需要安装跨接线时使用的专用工具。   互连完成交叉连接的相同目的，但不使用跨接线或插入线，只使用带插头的导线、插座和适配器。互连和交叉连接均使用于光缆。光缆交叉连接要求使用光缆的插入线——在两端都有光连接器的短光缆。   根据布线安排和管理通信线路以适应终端设备的位置变化的需要，在各种不同的交叉连接处可选用插入线。但在中继线交叉连接处、布线交叉连接处和干线接线间里，通常已安装好使用插入线的交叉连接硬件。   在卫星接线区，如安装在墙上的布线区，交叉连接可以不要插入线，因为线路经常是通过跨接线连到I/O上的。在大型布线系统中的上述位置，交叉连接处经常是将干线子系统的大型电缆转换到连接I/O的小型水平电缆的过渡点。在线路重新布局时，一般不使用这种馈通式（feed、through）交叉连接。   干线子系统   干线子系统是整个建筑物综合布线系统的一部分。它提供建筑物的干线（馈电线）电缆的路由。它通常是在两个单元之间，特别是在位于中央点的公共系统设备处，提供多个线路设施。该子系统由所有的布线电缆组成，或者由导线和光缆以及将此光缆连到其它地方的相关支撑硬件组合而成。传输介质可能包括一幢多层建筑物的楼层之间垂直布线的内部电缆或从主要单元（如计算机机房或设备间和其它干线接线间）来的电缆。 为了与建筑物的其它建筑物进行通信，干线子系统把设备间的中继线和布线交叉连接点与建筑物间设施相连，以组成建筑群子系统。   为了提供与外部网络的通信能力，干线子系统将中继线交叉连接点和网络接口（由电话局提供的网络设施的一部分）连接起来。网络接口通常放在设备间的近邻房间。网络接口为这些设施和建筑物综合布线系统之间划定界限。   建筑群子系统   建筑群子系统将一个建筑物中的电缆延伸到建筑群的另外一些建筑筘的通信设备和装置上。它是整个布线系统中的一部分（包括传输介质）并支持提供楼群之间通信设施所需的硬件，其中有导线电缆、光缆和防止电缆的浪涌电压进入建筑物的电气保护设备。   设备布线子系统   设备布线子系统由设备间中的电缆、连接器和相关支撑硬件组成，它把公共系统设备的各种不同设备互连起来。该子系统将中继线交叉连接处和布线交叉连接处与公共系统设备（如PBX）连接起来。该子系统还包括设备间和邻近单元（如建筑物的入口区）中的导线。这些导线将设备或雷电保护装置连接到符合美国电气法规（NEC）的有效建筑物接地点。    工业布线系统   工业以太网的布线系统则是针对工业自动化对象，如FA（工厂自动化）、PA（过程控制自动化）而进行布线的。它与AVAYA定义的布线系统部分相同，也存在明显的差异。   IOANA在 2003年10月公布的 《规划及安装指南》（PLANNING AND Installation Guide）中推荐了EN50173和ISO/IEC11801定义的工业布线系统   其中每个建筑物至少有一个建筑的分线系统BD（Building distri