工业以太网的常用网络拓朴结构特点揭示

 

一、单星形网络结构

　　单星形网络结构，是最传统的以太网拓朴结构，在普通办公以太网中应用最为广泛，其主要结构如图一所示。

 

 

 

　　所谓的单星形网络结构，是最基本的以太网拓朴结构之一。其特点是将所有的下层节点(二级交换机)均单独连接至中心节点 (核心交换机)。

　　(一) 结构优势

　　1.结构简单，传输效率高

　　因为各下层节点均与上层节点直接连接，所以单星形网络其结构一目了然，是一种分层的网络结构，具有较高的传输效率。

     2.设备数量少，投资小

　　因为单星形的网络结构未作任何链路和设备的冗余配置，所以采用的设备数量较少，可以节约投资。

　　(二)结构缺陷

　　1.无冗余功能，可靠性很低

　　单星形网络作为一种最简单的以太网络，未提供任何链路和设备的冗余功能。所以，采用单星形结构的网络系统，所有的设备和链路均存在单点故障(不允许出现任何网络故障)，任何一处设备或链路发生故障，均可造成网络系统的故障。单星形网络结构的这一特性，可称之为"完全单点故障"，这也是单星形网络系统最根本的弱点。

　　2.中心节点的核心交换机(通常也叫做根网桥)是系统瓶颈

　　星形网络结构的特点就是同一级别的交换机并不直接连接，而是通过上一级的交换机进行数据交换和通信，级别越高的交换机其通信负载越大，对设备可靠性和交换 能力的要求越高。同时，作为星形网络根网桥的核心交换机，不但具有最大的数据流量和负载，而在单星形网络中，核心交换机一旦发生故障，将造成整个网络系统 的瘫痪，其故障风险非常高。因此，星形网络结构的特点就是节点的级别越高，配置的设备档次就越高，而一旦出现故障，对整个网络系统的影响就越大，核心交换 机成为整个网络系统的瓶颈，这也是任何星形结构的网络系统的固有特点。

　　(三)适用性

　　因为单星形网络结构的可靠性较低，传输效率较高且投资较小，所以通常适用于数据传输突发性强，数据量大，但对传输实时性和可靠性要求较低的普通民用办公环境。在工业环境中，这种简单而没有任何冗余功能的网络结构，较少采用。

　　二、双星形网络结构

　　双星形网络结构是在单星形网络结构的基础上发展而来的，其本质就是在同一个网络系统中，设置完全独立的两套单星形结构(所有节点均冗余设置两台交换机)， 所有终端设备均同时在两台交换机上，从而解决了单星形网络结构没有冗余功能的根本缺陷，避免了网络系统的单点故障。双星形的网络拓朴结构如图二所示。

 

　　(一)结构优势

　　1.结构简单，传输效率高

　　因为在双星形网络中，各下层链路仍与上层交换机直接连接，所以与单星形网络结构类似的，双星形网络系统仍是一种分层的网络结构，具有较高的传输效率。

　　2.具有完整的冗余功能，网络可靠性高

　　双星形网络其实是由完全独立的两套单星形网络所组成;在整个系统中，所有的节点(包括中心节点和所有下层节点)均设置有两套的网络交换机，各下层节点与中 心节点之间也采用了两套互为冗余的链路进行连接，所以完全不存在单点故障。在双星形的网络系统中，最少可容许同时出现一处链路故障和一处网络设备故障，而 不会对网络系统的正常运行造成影响，其系统的可靠性高。另外，两套系统完全相互隔离，为系统的安全性和可靠性也提供了更多的保证。

　　(二) 结构缺陷

　　1.核心交换机(根网桥)是系统瓶颈

　　因为双星形网络实质上仍然是一种星形网络结构，仍然具有星形网络系统的固有特点，所以还无法避免核心交换机成为风险最高、数据流量最大的系统瓶颈。

　　2.设备和链路数量多，投资高

　　由于采用了完全相同的单星形网络来构成系统，所以与单星形网络结构相比，必然带来了设备和链路的数量加倍，以及投资增加的问题。

　　3.结构相对复杂，网络自愈时间长(10秒级)

　　由于双星形网络的采用了两套设备和链路，其结构相对比较复杂。而这两套单星形的系统完全独立，并不能直接识别另一套系统的状态，所以网络系统出现故障时， 更多的依赖于服务器或上位机的软件系统进行判断和识别，网络设备需要重新寻址，因此，双星形网络系统的故障自愈时间较长，一般在10-30秒之间。

　　(三) 适用性

　　因为双星形网络结构的可靠性高和传输效率较高，但投资较大，所以适合对数据传输实时性、网络系统可靠性和数据传输效率要求比较高，并且资金比较充裕的用 户。这种结构，普遍的应用于金融、电信等民用行业的关键业务系统中，近几年在关注网络系统可靠性的工业行业中应用也比较广泛。

 

 

三、单环单节点网络结构

　　环形结构是工业行业中应用最广泛的一种网络结构，其特点是将中心节点和各下层节点串接成环形，因而在节约投资的基础上，使网络系统具有了最基本的链路冗余 功能。所谓单环单节点网络结构，是最基本的环形结构，只在各节点均采用单套网络设备，各设备之间采用单一链路进行连接。其网络结构如图三所示。

　　由上述结构图可以看出，所谓的环形结构，已经具有了基本的链路冗余功能，当网络系统中的某一条链路发生故障而断开时，单环结构会自动变为一种单星形(或总 线形)结构，不会对整个系统的适用造成影响。

　　(一)结构优势

　　1.结构简单，设备数量少，投资最低

　　环形结构本身并不是一种分层的网络系统，其结构非常简单。因为环形网络中，各下层节点和中心节点采用串接的方式，链路长度较短(与星形结构相比)，中心节 点所采用的交换机所需要的端口数量、交换能力的要求，也远低于星形结构。同时，单节点的环形网络在各节点均未配置冗余的设备，所以其设备数量较少。由于以 上种种原因，其系统投资也低于单星形网络。

　　2.具有链路的冗余功能，网络可靠性有所提高

　　单环单节点的网络结构，通过最简单的方法，使网络系统具有了链路冗余功能，最多允许出现一处链路故障，因此这种结构可以称为"链路自愈型"的网络结构。在 保证设备数量不增加的基础上，与单星形网络相比，其可靠性有所提高，最多可允许出现一处链路故障。

　　3.不存在根网桥瓶颈

　　由于环形结构自身的特点，在环形的网络系统中不存在根网桥，所以有效的避免了根网桥给整个系统所带来的额外的瓶颈和更高的故障风险。

　　4.网络自愈时间短(100毫秒级)

　　单环形结构的网络设备均为串行直接通信，很容易识别其它设备的运行状态，并可采用逻辑断点的方式进行故障切换而无需重新寻址，因此具有非常短的故障切换时间。单环形的网络自愈时间最高不会超过500毫秒。

　　(二)结构缺陷

　　1.数据传输效率较低

　　从本质上讲，环形结构仍属于一种串行结构，即使是物理位置不远的两个节点，也可能需要通过多个节点、多台交换机的数据转发才可以实现相互通信，因此，从数 据传输效率的角度来看，其效率略低于星形结构。

　　2.不具备设备冗余功能，可靠性不高

　　单环单节点的网络结构，未在各节点配置冗余的网络交换机，它只具有链路冗余功能。所有的网络设备在这种结构中都存在单点故障，任何一个网络设备的故障都至少会造成部分节点的瘫痪。因此，这种网络结构是一种存在部分单点故障的网络结构。

　　(三)适用性

　　它因为工业网络中的数据传输量较小但数据周期性、持续性、实时性较强，所以，环形结构是工业行业中应用最为广泛的一种网络结构。同时，由于单环单节点结构 已经具备了链路冗余功能，所以这种结构更适用于对可靠性有基本要求但资金非常有限的小规模工业以太网用户。

　　四、单环双节点网络结构

　　单环双节点网络结构，是在单环单节点网络结构的基础上扩展而来的。顾名思义，所谓单环双节点就是在单一的环形网络中，在每个节点均设置两套互为冗余的网络 设备，所有终端设备均同时连接在两台交换机上，使单环形网络也具备了设备冗余的功能。其网络结构如图四所示。

　　(一)结构优势

　　1.结构简单、不存在根网桥瓶颈、网络自愈时间短(100毫秒级)

　　单环双节点仍是一种单环形结构，因此仍具有结构简单，中心节点所采用的交换机所需要的端口数量、交换能力的要求较低、链路较短、无根网桥瓶颈等特点。网络自愈时间最高不会超过500毫秒。

　　2.具有完整的冗余功能，网络可靠性比较高

　　单环双节点的网络结构，通过在各节点增加冗余的网络交换机，实现了链路和网络设备的完全冗余，不存在单点故障，允许出现一处链路故障或网络设备故障。

　　3.与单环单节点网络相比，链路长度没有增加

　　在提高可靠性的基础上，与单环单节点网络相比，单环双节点网络结构的链路长度基本没有增加。

　　(二)结构缺陷

　　1.数据传输效率较低

　　基于环形结构自身的特点，单环双节点结构的数据传输效率仍不如星形结构。

　　2.虽然没有单点故障，但可靠性级别仍不高

　　由于是串行结构的原因，无论是链路故障还是网络设备故障，均会造成环形链路<