当今工业网络的服务质量

近年来，工业通信取得了长足的发展。现场总线卡和串行连接器的时代已经过去了。今天的工业网络是智能和健壮的。他们可以通过高速无线网桥传输数据，高性能千兆比特工业以太网交换机以及回程10千兆光纤链路。

然而，情况并非总是如此。直到最近，工业网络主要是闭环网络，由集成数字电路、微处理器和逻辑控制器之间的简单通信组成。多年来，这些简化的通信形式一直是工业标准。

随着技术和通信的进步，数字电路变得越来越麻烦，限制和昂贵的维护。各行各业都需要更快、更强大的沟通方式，以实现扩张和增长。这最终导致以太网技术引入曾经封闭的数字环路网络。

这种改进的通信方式是工程师们的一个重大飞跃。这种新的数据传输方式使工程师能够扩展他们曾经封闭的数字网络，并将远程管理和分割以及基于pc的硬件和软件等新功能整合到网络中。

基于以太网的通信是革命性的;然而，这确实带来了挑战。传统以太网通信中使用的IEEE 802.3标准不能满足实时工业通信的要求。以太网TCP太慢。它的错误检查功能，保证数据包传输造成延迟，不能支持实时通信。以太网UDP具有比TCP更快的包传递速度。然而，UDP协议在设计上是不可靠的，并且没有提供实时数据流所需的有保证的包传递。这些特性的缺乏最终导致了工业协议的创建，这些协议可以在同步工业通信流所需的亚毫秒内提供有保证的数据包传递。

多年来，交换技术也经历了几次变化。曾经连接通信的集线器和中继器已经过时了。数据传输期间缺乏服务质量(QoS)会导致信令问题，应用程序经常会超时。增加了带有冲突检测的载波侦听多址以改善数据流，但随着具有先进功能集的多层交换机的接管，集线器和中继器最终被搁置了。最终，工业化的网络设备出现了。这些专门为工业环境设计的功能丰富、坚固的网络交换机将为工业工业提供所需的先进通信。

日益增长的障碍

交换技术的进步确实为工业网络打开了大门。更大的处理器芯片和更大的内存允许制造商以更高的速率提高数据吞吐量。我们现在看到工业网络交换机集成了1gb和10gb交换机端口，以及高达40gb的背板交换。

这种交换能力的增加导致了严重依赖带宽可用性的智能工业设备的爆炸式增长。

随着工业网络变得越来越复杂，越来越多依赖带宽的设备上线，来自超额订阅交换机端口的链路拥塞已经成为一个现实问题。工程师们现在不得不在他们的工业网络中处理企业级网络问题。因此，他们正在使用管理员的工具包，并使用QoS等管理特性来实现网络稳定。

企业集成

现代化的工业网络模糊了曾经分离的企业和工业网络之间的界限。现在，企业网络和工业网络不再是两个物理上分离的网络，而是在网络的核心和分布层相互连接的同时，实际上是分开的。为了进一步增加复杂性，这些网络通常共享虚拟LAN (vlan)段，这些段通常携带安全策略、路由策略和带宽策略。

服务质量对工业通信有什么作用?

在典型的网络中，数据流或包传输是基于尽力交付的。这意味着所有传输的数据在拥塞期间都有相同的传输和丢弃机会。对于非关键数据流或流量，这种数据交付方法已经足够了。但是，某些类型的数据流量(如控制和同步)具有特定的数据包传递时间段。

QoS提供了在拥塞期间数据包优先级和带宽控制的机制。这些机制应用流量过滤器来维护特定类型数据流(如VoIP和精确时间协议)的QoS。

了解服务质量

要了解QoS，首先必须熟悉7层OSI模型和4层TCP/IP堆栈。更重要的是，您必须了解网络的第2层和第3层功能，以便创建有效的QoS实现。

第2层和第3层有不同的体系结构，处理数据流的方式也不同。第2层根据帧处理数据流，而第3层处理数据包。第二层帧使用MAC地址作为源地址和目的地址进行转发。三层报文使用IP地址来实现相同的目的。

第二层:包转发

第三层:报文转发

服务质量概述

QoS提供了两种保证数据传递的基本方法，有状态负载控制(称为集成服务(IntServ))和无状态负载控制(称为差异化服务(DiffServ))。IntServ通过信令的方式验证网络资源是否可用，然后再进行数据传输。DiffServ使用provision方法标记报文。出于本白皮书的目的，我们将使用差异化服务(Diff-Serv)进行QoS管理。

Diff-Serv (Differentiated Services)架构是指每个报文在进入网络时进行分类，在离开网络前进行处理。根据传输的流量类型，分类将在第2层或第3层报头内完成。

第二层帧分类

第二层帧分类在IEEE 802.1Q帧报头内部完成，并使用802.1p服务等级(CoS)规范进行流量优先级划分。通过在802.1Q标记以太网帧中发现的3位用户优先级中分配0-7的值，可以将流量分为低优先级和高优先级。

三层IP报文分类

三层报文分类采用不同的DSCP (service code point)值。这些值位于服务类型(TOS)字段内部，该字段是IP包报头的一部分。TOS是用于流分类的一组属性。

DSCP值可以是数值或基于标准的名称，称为每跳行为。DSCP标记有几个大类:尽最大努力(BE)、类别选择器(CS)、保证转发(AF)和加速转发(EF)。这些标准和配置方法的详细信息超出了本文的讨论范围。

服务质量背后的机制

在拥塞期间，进入已配置QoS端口的交换机的网络流量将被分离和处理。进入的流量首先根据其规格按照CoS或DSCP值进行分类，然后进行分离。

分离后的流量被转发到策略器进行带宽控制。策略器决定需要什么类型的带宽需求，以及在逐包的基础上采取什么操作。包括转发、修改或删除的操作由标记符执行。报文在出接口按照规格被放入队列，然后转发到目的地。

轮询排队

路由器和交换机上的以太网端口有一组队列或缓冲区，用于存储等待传输的数据包。有几种方法可以耗尽这些队列，但最常见的两种方法是Strict和Round Robin。严格排队将确保高优先级队列在低优先级队列释放单个帧之前为空。这对于在实验室中测试QoS非常有效，但在大多数实际应用程序中，效果并不好。发送低优先级帧的应用程序将超时并在等待高优先级队列清空时失败。

轮询队列允许低优先级队列与高优先级队列一起传输。这种方法可以防止低优先级应用程序(如电子邮件或web流量)在拥塞期间超时。轮询队列将按高优先级队列和低优先级队列的顺序传输数据。例如，10-1将发送10个高优先级帧到1个低优先级帧，然后再返回发送另外10组帧。轮询将在队列之间旋转传输，直到队列被清空。您可能会看到具有4个优先级队列的路由器或交换机，轮询设置可能被视为10-7-5-1。这将是循环调度从一个队列到下一个队列时释放的帧数。

了解你的关系网

要在网络中创建有效的QoS实现以进行流量管理和健壮的连接，需要许多详细的步骤。在你的腰带上有一些工具可以通过节省时间和避免代价高昂的错误来帮助缩短这些步骤。

创建一个详细的分层网络地图

这是管理员工具中最重要也是最容易被忽视的项目之一。拥有一个详细的，记录良好的网络地图不仅可以消除您对网络的任何误解，而且还将成为您规划的资产。你的地图应该包括以下内容:

• 第一层-物理硬件:尽可能概括(网络设备、控制设备、O/I设备和站)和用作互连链路或聚合中继的物理端口。此外，如果可能的话，列出媒体类型和设备之间的距离。
• 第2层-链接控制和分割:列出链路速度和双工设置、VLAN成员资格和点到点连接。这将有助于识别可能的拥塞点。
• 第三层- IP寻址:列出所有子网、路由、隧道、vpn或将流量导向另一个子网和/或网络的任何东西。

制造商文档

使用制造商配置指南和规格表来验证QoS实现的特性集和配置策略。

建立网络基线

通过分析实现前后的流量模式和带宽利用率，创建网络基线。您可能会多次重新访问您的设备配置，以获得正确的网络优化。

服务质量实现

一旦收集了所有这些信息，就需要协调QoS实现。一定要给自己足够的时间来分析流量和测试配置。最佳实践方法建议从网络的外部边缘开始，一直到分布交换机和核心交换机。

结论

工业网络这些年已经有了很大的进步。先进的交换技术引入到曾经分离、封闭的数字网络中，为新一代通信打开了大门。新一代的工业化协议、千兆交换机端口和无线数据传输使工业行业能够以更安全、更有效的方式提高产量。

然而，这些新能力是有代价的。新的应用程序和输入/输出(I/O)设备在同步和时间敏感的通信中严重依赖带宽。在现代工业化的网络中，保证数据流的带宽是一种溢价，必须这样对待和分配。工程师和管理员用来管理和提供保证带宽的工具之一是QoS。

QoS具有先进的机制，能够在网络拥塞时提供所需的带宽分配。通过配置网络交换机来优先处理特定类型的流量，可以保证不间断业务的数据传输。

实现QoS以实现高效的数据包传递并不是一项简单的任务。这是一个复杂的过程，需要时间和精力来协调和配置。但是，知道您有一个高效、完善、有文档的网络，并且已经定制以满足您的特定需求，这是值得投资的。

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