什麼是自行研發的自動化網路環狀拓撲？

在工業自動化與 IoT 環境中，網路拓撲主要是指節點與裝置 (如感測器、致動器、智慧型馬達、驅動器與控制器) 之間，以及節點與開關、集線器與閘道之間的固線式通訊連線配置。機器或大型工廠安裝使用的網路拓撲可確定以下特性：

• 系統通訊穩定度及速度
• 工業網路具備的備援量與恢復時間
• 最重要的連線恢復能力 (網路某個鏈路失效後)

本文將說明幾種網路拓撲，包括各種環狀拓撲及少數自行研發的拓撲，以及拓撲的使用位置。

圖 1：此處所示為主要工業網路拓撲系列。(圖片來源：Design World)

關於工業網路拓撲類型的更多內容

工業自動化網路拓撲是指網路元件歸類為鏈路 (有線配置中的纜線連線) 的方式，而且節點是以彼此相對的關係來配置。節點代表可作為再分發點或通訊端點的元件。對比之下，鏈路是節點進行有線或無線連線的方式。鏈路可能包含：

• 單工 - 只允許單向通訊
• 雙工 - 允許雙向同時通訊
• 半雙工 - 允許任一方向的通訊，但一次只能進行一個方向

網路的拓撲是指節點透過鏈路進行連線的方式，配置方式有許多種。

匯流排網路拓撲：在匯流排拓撲中，網路有一個主要的纜線「軌道」(稱為匯流排)，而每個節點均獨立連線或「拖曳」到此匯流排 (此為許多工業文獻的說法)。

星狀網路拓撲：在星狀拓撲中，網路以一個節點為中心，採用集線器的形式。其他節點則是透過各自的鏈路連線至此集線器。此外，星狀拓撲也有一些省電優勢，這是因為只有集線器需要連續消耗電力，而僅間歇傳輸的個別元件則可以斷電。

網狀網路拓撲：採用完全連線拓撲的網路，會將每個節點連至其他所有節點。大致相同的是，採用網狀拓撲的網路 (如完全連線的配置) 是以非集中式連線為基礎，但不要求每對節點都必須連線。若每個節點不會與其他所有節點連線，此種配置有時稱為部分連線的網狀網路。

無線網路通常使用網狀拓撲，因為具有相當穩定且安全的特點，還可降低功耗。對於採用電池供電式節點的網路來說非常實用。網狀網路也可以改進既定佈線量的網路範圍，因為個別鏈路會比整個網路更短。對於具有許多低功率感測器的大型 IoT 網路來說，這個特性可說是一大福音。或許最重要的是，採用網狀拓撲的網路可針對任何選項提供最高的彈性及備援能力，特別是在完全連線的情況下。但需要注意的是，鏈路失效後的恢復時間可能相當長，因為系統必須找到通過網狀的新路徑 — 可能必須對斷掉鏈路周圍的連接埠重新進行設定。對於有線網路來說，額外的佈線及連接埠都會提高網狀拓撲的成本。

環狀網路拓撲：在環狀拓撲中，網路會將每個節點連至兩個相鄰節點，形成一個環狀的序列。這也是所謂的備援環狀，因為一個鏈路可以只在需要時才啟用。

關於工業自動化環狀拓撲的深入研究

在環狀拓撲中，網路數據傳輸率相當良好，也能相當快速地從鏈路失效中恢復過來，纜線成本也相對較低。環狀拓撲通常是工業自動化有線網路的首選，這也就不足為奇了。當一個備援鏈路停用，環狀會有效地變成一條線，提供快速高效率的通訊。在鏈路失效期間，不須進行複雜的重新佈線。相反地，只要將備援鏈路啟用即可。其他所有的鏈路仍繼續使用系統預設的連接埠路線。

下面說明兩種協定的一般環狀拓撲排列，即傳輸控制協定 (TCP) 及使用者資料包通訊協定 (UDP)。透過 TCP 與 UDP IP 協定，即可能進行網際網路連線，因為每個裝置都有一個 IP 位址。這些 IP 位址能讓系統將數據封包從一個位址轉送至另一個。除了實際的數據外，封包還包含標頭中的其他資訊，其中包括目的地 IP 位址。

TCP 通常稱為 TCP/IP，可控制數據封包在目的地的重組方式。要讓這種方式有效的先決條件是，取得來自傳送端與接收端的通訊。傳送端包括標頭中的序列號，而接收端必須傳回封包收到的確認訊息。若封包未獲得確認，則會重新送出封包。此外，裝置也會使用每個封包標頭中的核對和，檢查封包是否有錯誤。這種 TCP 過程可確保數據交換可靠，但代價是互換通訊過程相對較慢。相比之下，較新的 IP 協定 UDP 能使 IP 位址間的數據傳輸更簡單、更快速。接收端裝置不須確認收到封包，所以速度更快，但代價是可靠度稍微降低。

備援挑戰和補充解決方案

在乙太網路式系統中，網路管理協定可以補強備援功能，確保數據傳輸的高效率，同時避免可能出問題的橋接迴路，以及迴路引發的廣播風暴。基本上，橋接器或交換迴路會重複執行不必要的數據傳輸，還會導致出現問題。這些數據會通過裝置間重複的連線來傳輸 — 當網路在兩個通訊網路節點間有多個路徑時，便會發生此種情形。

圖 2：在工業自動化中，快速的環狀拓撲可從鏈路失效中快速恢復。(圖片來源：Design World)

橋接迴路能重複執行數據再廣播，反而造成網路負載過重，且網路速度大幅下降。問題的起因最可能是系統的許多備援。

鏈路聚合使用平行乙太網路纜線與連接埠，以此增加頻寬並加速恢復。這意味著，當鏈路失效時連線並未失去，但某些數據可能會遺失，而且頻寬會減少。纜線通常會因某種機械損壞而失效，平行纜線必須沿著不同路徑佈線，結果大幅增加安裝成本。這種簡便的方法已經標準化為鏈路聚合控制協定 (IEE 802.1ad)。

既能保持備援的優點，又能避免橋接迴路，這是有可能做到的。解決方案就是拓撲技術，其既有平行的實體迴路，又能使用網路管理協定來選擇性停用鏈路。如果使用中的鏈路失效，邏輯拓撲會擴充以納入其中一個備援鏈路，並且繞過失效的鏈路來重新佈線。跨距樹狀目錄通訊協定 (STP)、快速跨距樹狀目錄通訊協定 (RSTP)，以及各種不同自行研發的環狀協定，全都可以提供此種網路管理功能。請注意，跨距樹狀目錄是以上述協定建立之無迴路邏輯拓撲的另一個名稱；凡不屬於跨距樹狀目錄的鏈路，均會被停用。

STP 與 RSTP 協定可配合網狀拓撲與環狀拓撲使用，並且為多數應用提供速度合理的恢復時間。即便如此，要求最苛刻的工業自動化應用通常需要極為快速的恢復時間，而此種需求只有自行研發的環狀協定才能滿足。

自行研發環狀協定的範例

顧名思義，自行研發環狀協定是網路硬體製造商專有的協定。例如，Red Lion 的某些 N-Tron 開關使用 N-Ring 這種自行研發的環狀協定。這些自行研發的協定可控制網路迴路，並處理鏈路失效的狀況，是 STP 或 RSTP 的替代協定。

如先前的詳述，環狀拓撲具有低延遲及頂尖可靠度等優點，加上又有目前最快的數據傳輸率及鏈路失效恢復速率，因此主要用於工業自動化有線網路中。備援是從鏈路失效中恢復的關鍵。但重點是，備援會造成重複的數據迴路，以致於造成問題。若要避免這個問題，就必定要使用能避免迴路且能從鏈路失效中快速恢復的網路協定 — 對於絕對不允許停機的工業自動化作業，這一點尤其重要。對於這類需要維持快速失效恢復時間的應用，自行研發的環狀協定通常是最合適的選擇。

下面說明幾種最廣泛使用的自行研發環狀協定。

HiPER 環狀協定是 Hirschmann 與 Siemens 於 1999 年發佈的自行研發環狀協定。此協定現已標準化為 IEC 62439，而且也有通用名稱：媒體備援協定 (Media Redundancy Protocol，MRP)。此協定最多可支援 200 個節點。雖然標準版的恢復時間為 500 msec，Fast HiPER 環狀協定宣稱其恢復時間可達 60 ms，更具競爭力。

彈性乙太網路協定 (Resilient Ethernet Protocol，REP) 是 Cisco 公司自行研發的協定，也獲得 Rockwell Automation 與 Westermo 採用。REP 的網路行為既快速又可預測，聲稱的恢復時間可下降至 20 ms。REP 有一些限制，亦即本身不是隨插即用協定，且不會自動避免迴路。而是必須對 REP 進行正確設定，才能提供這些功能。REP 的運作原理是建立連接埠連鎖在一起的集合，並以所謂的網路區段串聯起來。

X-ring 是 Advantech 公司自行研發的環狀技術，其聲稱的恢復時間只有 10 ms，可能是最快的速度。但要注意的是，X-ring 僅能用於不超過 20 個節點的較小網路中。

前述 Red Lion 的自行研發 N-Ring 協定恢復時間為 30 ms，且能支援大型網路，可能多達 250 個節點。

為何要在上面列出相當寬廣的速度範圍？這是有理由的。雖然 TCP 與 UDP 網路協定的速度稍稍不同，但是工業網路的拓撲與管理協定對網路速度的影響更為明顯。舉例來說，STP 備援環狀網路透過 TCP 協定的恢復速度為 30 至 90 sec，透過 UDP 的恢復速度則為 10 至 50 s；RSTP 可將這些數值降至 1 至 3 s。網狀網路的恢復時間甚至更多。相較之下，特定的自行研發環狀網路可透過 TCP 協定在短短的 0.3 s 內 (或透過 UDP 在 0.2 sec 內) 從鏈路失效中恢復。事實上，特定製造商聲稱，其自行研發環狀網路的恢復時間大幅減少，有時甚至可達 10 ms 內。

關於工業自動化環狀拓撲的結論

環狀拓撲常用於工業自動化有線網路中。此種技術的遲低延且可靠度相當高，常常加上自行研發的方法可避免迴路並處理鏈路失效的問題，表現優於傳統的 STP 或 RSTP。