網(wǎng)關(guān)、連接設(shè)備、交換機、設(shè)備服務(wù)器、媒體轉(zhuǎn)換器 … 這些概念是不是非常容易混淆 ? 的確，不僅您有這樣的疑問，在兩種不同網(wǎng)絡(luò)之間進行通訊是一種挑戰(zhàn)。
OSI模型
首先，讓我們從針對所有數(shù)據(jù)通訊的基本模型－ OSI 模型開始。
通訊的基本原理是使用 OSI 模型的不同層作為子集。第一層表示最底層，也就是物理通訊線路的電氣信號。第 7 層是用戶層，在這一層兩種設(shè)備才能交換和理解相互之間的數(shù)據(jù)。一個簡單的例子是我們不僅需要聽到其他人講話，還要理解對方的語言，這就相當(dāng)于理解 “ 數(shù)據(jù) ” 的含義。使用相同的第 7 層協(xié)議的設(shè)備，就像說一種語言一樣能夠自由地交換和理解數(shù)據(jù)。 
基本的 RS-232 接口僅僅定義了第一層，能夠確保兩個 RS-232 設(shè)備之間進行電氣連接而不會造成電氣沖突。但是要在兩個設(shè)備之間進行通訊和數(shù)據(jù)解釋，則需要兩個設(shè)備都使用相同的協(xié)議，來定義通訊規(guī)則和數(shù)據(jù)格式。
目前在汽車行業(yè)比較流行的 CAN 協(xié)議，也僅僅是第 2 層協(xié)議。在汽車中，制造商使用 CAN 作為通訊鏈路，但可以將自己的第 7 層協(xié)議添加到 CAN 使得汽車中的所有通訊節(jié)點能夠相互理解。而任何該車以外的 CAN 節(jié)點，如果不是使用相同的協(xié)議，是根本不能參與車內(nèi)的通訊的。
在工業(yè)現(xiàn)場不同制造商的 CAN 設(shè)備需要進行互聯(lián)因此基于 CAN 定義了開放式的第 7 層協(xié)議，例如 DeviceNet 和 CANopen 。因為使用了相同的第 7 層協(xié)議，兩個來自不同制造商的 DeviceNet 節(jié)點是可以相互通訊和交換數(shù)據(jù)的。
以太網(wǎng)和 TCP/IP 協(xié)議覆蓋了 OSI 模型的 1-4 層，因此提供了比 CAN 技術(shù)更多的功能和更強的性能。兩個以太網(wǎng)節(jié)點可以進行通訊互聯(lián)，但是 TCP/IP 僅僅提供了數(shù)據(jù)傳輸機制和服務(wù)任務(wù)，例如建立連接、處理錯誤重發(fā)等。雖然兩個使用以太網(wǎng) TCP/IP 的節(jié)點能夠相互對話，但不能理解對方的話語，因為它們沒有說同一種 “ 語言 ” －即第 7 層協(xié)議不是由 TCP/IP 定義的。在 TCP/IP 之上還必須有應(yīng)用層例如 SNMP, HTTP, FTP 等用于交換和處理網(wǎng)絡(luò)上的各種數(shù)據(jù)。所有的 IT 協(xié)議都是在第 7 層進行標(biāo)準(zhǔn)化的。在工業(yè)領(lǐng)域還有附加的第 7 層協(xié)議來處理實時數(shù)據(jù)交換和設(shè)備行規(guī)等。兩個典型的實例就是 EtherNet/IP (IP = Industrial Protocol) 和 Modbus-IDA (Interface for Distributed Automation) ，它們都是用于 TCP/IP 之上的協(xié)議。
好的，有了這些信息作為背景知識，讓我們來看一下如何將一種網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換至另一種。
媒體轉(zhuǎn)換器和重復(fù)器
媒體轉(zhuǎn)換器通常工作在 OSI 模型的第 1 層和第 2 層。它們做的是將電氣信號從一個物理媒體轉(zhuǎn)移到另一個物理媒體。例如 RS-232 <-> RS-422 轉(zhuǎn)換器就是在這兩種不同電氣信號之間進行轉(zhuǎn)發(fā)。另一個例子是以太網(wǎng) 100Mbit CAT5 Cable <->100Mbit 光纖轉(zhuǎn)換器。
媒體轉(zhuǎn)換器在工業(yè)場合種十分有用，可從一種物理媒體轉(zhuǎn)發(fā)至另一種，但僅僅是信號的轉(zhuǎn)發(fā)，而不進行任何應(yīng)用層的附加功能。
當(dāng)信號通過很長的電纜進行傳輸?shù)臅r候，就會減弱和畸變，我們稱之為衰減。如果電纜長到一定程度，衰減最終會導(dǎo)致信號無法識別。重復(fù)器就是用來使信號傳得更遠。它工作在 OSI 物理層來重新生成通訊信號并將其重發(fā)到其它網(wǎng)段。
重復(fù)器主要用于延長網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點之間的通訊距離。 重復(fù)器將減弱的信號從一個段獲取并進行重新生成，然后轉(zhuǎn)送到下一個段。重復(fù)器既不翻譯也不過濾任何信息。只有兩個段使用相同的訪問方法的時候才能使用重復(fù)器。
例如，重復(fù)器是不能連接一個使用 CSMA/CD ( 以太網(wǎng) ) 的網(wǎng)段和一個使用令牌的網(wǎng)段。
工業(yè)以太網(wǎng)交換機
交換機可看作為智能重復(fù)器。它們將物理層信號放大，但同時還提供對所接收包的智能分析。具有存儲和轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的以太網(wǎng)交換機可查看收到的整個數(shù)據(jù)幀及其端口。先通過 CRC 校驗檢查通訊位是否被破壞，如果校驗錯誤則將這幀數(shù)據(jù)丟棄。如果 CRC 校驗成功，交換機將查看目的地址并將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至目的幀所在的端口。
設(shè)備服務(wù)器/網(wǎng)橋
設(shè)備服務(wù)器也稱作網(wǎng)橋，網(wǎng)橋工作在 OSI 模型的 1-4 層。它進行連接建立、重發(fā)和錯誤處理等。數(shù)據(jù)可以方便地通過網(wǎng)橋進行交換，但是是以匿名數(shù)據(jù)塊進行發(fā)送的。第 4 層本身沒有數(shù)據(jù)處理機制。
對于以太網(wǎng)，設(shè)備服務(wù)器非常多地用于將串行網(wǎng)絡(luò)，例如 RS-232 橋接到以太網(wǎng)。設(shè)備服務(wù)器具有完整的 TCP/IP 協(xié)議棧，在它的串口側(cè)，串口數(shù)據(jù)封裝在 TCP/IP 幀中，然后通過以太網(wǎng)傳送。這聽上去有些像媒體轉(zhuǎn)換器，但設(shè)備服務(wù)器進行了更復(fù)雜的時序和協(xié)議處理。
如果串口服務(wù)器于基于 PC 的系統(tǒng)通訊， PC 通常運行應(yīng)用軟件來從 TCP/IP 幀中提取數(shù)據(jù)。 PC 上的軟件將創(chuàng)建一個虛擬的串口用于與設(shè)備通訊。這種方式不需要向原有的應(yīng)用添加任何新功能，就可將數(shù)據(jù)在 PC 和設(shè)備之間進行透明傳輸，既便需要對軟件和硬件進行改動，也非常少。大多數(shù)情況下，最終用戶看不到直接的串行連接，它已被以太網(wǎng)上的虛擬端口所取代。使用這種方式，設(shè)備服務(wù)器可以實現(xiàn)將位于很遠的 PC 通過以太網(wǎng)與串行設(shè)備交換數(shù)據(jù)。 
如果使用工業(yè)中常用的 PLC, 則需要兩個設(shè)備服務(wù)器。一個在設(shè)備側(cè)將串行設(shè)備封裝至 TCP/IP 幀，另一個在 PLC 側(cè)將數(shù)據(jù)從 TCP/IP 幀中還原。
設(shè)備服務(wù)器在基于消息的網(wǎng)絡(luò)中能夠很好地工作，在這種情況下非循環(huán)的數(shù)據(jù)包能夠被傳送到其它類型的網(wǎng)絡(luò)上，保持其原有的結(jié)構(gòu)和格式。
然而，大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用還需要處理 I/O 數(shù)據(jù)傳輸，也就是用于快速更新的循環(huán)數(shù)據(jù)來實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)通訊。所有這些協(xié)議都需要第 7 層協(xié)議來橋接不同的網(wǎng)絡(luò)。
設(shè)備服務(wù)器的另一個限制是缺少基于 Web 的數(shù)據(jù)處理。很多設(shè)備服務(wù)器具有內(nèi)置 web 服務(wù)器用于其自身的配置，但事實上第 4 層協(xié)議是不能處理數(shù)據(jù)值的。因此也不可能在內(nèi)置 web 服務(wù)器上通過 SSI 腳本或 Java applets 顯示應(yīng)用數(shù)據(jù)。
還有一種網(wǎng)橋能夠?qū)⒋薪涌跀?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至某些現(xiàn)場總線，例如Profibus。這聽上去與我們下面要討論的網(wǎng)關(guān)極為相似。但它的工作原理還是網(wǎng)橋，因為它不能夠?qū)?shù)據(jù)進行應(yīng)用層的解析，而只是將串行報文整體作為Profibus的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。這類網(wǎng)橋產(chǎn)品的缺點是其自身不能處理串行報文的幀格式和收發(fā)機制(如：掃描周期、超時時間、重發(fā)次數(shù)等)，而這些任務(wù)都需要現(xiàn)場總線的主站(如PLC)來完成。從而增加了總線的負擔(dān)，降低了實時性和可靠性。
網(wǎng)關(guān)(第7層網(wǎng)關(guān))
網(wǎng)關(guān)可實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)和協(xié)議的通訊之間的互聯(lián)。它們可以實現(xiàn)在不同網(wǎng)絡(luò)之間進行重新打包和格式轉(zhuǎn)換，因此一種網(wǎng)絡(luò)能夠理解其它網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用數(shù)據(jù)。
網(wǎng)關(guān)將信息重新打包以符合目的系統(tǒng)的需要。網(wǎng)關(guān)能夠修改報文的格式因此可以符合接收端的應(yīng)用程序。網(wǎng)絡(luò)通常用來連接兩個不可能使用相同通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)格式的系統(tǒng)。
網(wǎng)關(guān)集成了 OSI 模型 1 至 7 層的全部內(nèi)容。這就實現(xiàn)了真正意義上兩個網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)翻譯和處理，并達到了真正聯(lián)接兩個網(wǎng)絡(luò)的目的。通過網(wǎng)關(guān)橋接以太網(wǎng)和其它協(xié)議，例如 DeviceNet, Profibus 或簡單的串行協(xié)議，可以實現(xiàn)在內(nèi)置 web 服務(wù)器中使用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，真正實現(xiàn)基于 web 的監(jiān)測和控制。
關(guān)于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至以太網(wǎng)或其它網(wǎng)絡(luò)，有必要進行進一步的解釋。事實上串口協(xié)議是不具備完整 7 層協(xié)議的，這使得數(shù)據(jù)連接有些困難。例如條碼閱讀器這種設(shè)備僅僅傳送內(nèi)置于特定設(shè)備的 ASCII 數(shù)據(jù)。
串行網(wǎng)關(guān)
將RS-232/422/485設(shè)備接入現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)，可以由“串行網(wǎng)關(guān)”來實現(xiàn)。Anybus Communicator 串行網(wǎng)關(guān)利用數(shù)據(jù)緩存區(qū)的方式來解決轉(zhuǎn)換問題。從串行設(shè)備來的數(shù)據(jù)被映射到網(wǎng)關(guān)的本地存儲區(qū)中，通過一個配置工具軟件，網(wǎng)關(guān)可以定義在串行數(shù)據(jù)流中哪些字節(jié)是純數(shù)據(jù)而哪些是命令控制信息。被選中的純數(shù)據(jù)被映射到另一側(cè)網(wǎng)絡(luò)的第 7 層，因此可以被網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點所接收和理解。 
這種解決方案的一個很大好處就是網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，由于其內(nèi)置了一個嵌入式網(wǎng)卡。這樣網(wǎng)關(guān)將所選擇的數(shù)據(jù)字節(jié)轉(zhuǎn)換為 PLC 和現(xiàn)場總線系統(tǒng)所能理解的格式。這樣串行設(shè)備就被看成為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上的其它設(shè)備(如I/O模塊)一樣。
Anybus Communicator 網(wǎng)關(guān)更高級的功能是它還可以通過 Modbus RTU 等協(xié)議主動地與設(shè)備進行控制和通訊，并將特定的數(shù)據(jù)連接到 Profibus 或以太網(wǎng)等工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上。它也可以被用于 web 網(wǎng)關(guān)位串口設(shè)備提供基于 web 的管理、監(jiān)測和控制功能。
網(wǎng)絡(luò)-網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)
隨著對工廠級網(wǎng)絡(luò)靈活性和多樣性需求的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)顯得越來越重要。工業(yè)網(wǎng)關(guān)為聯(lián)接不同現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)提供了一種解決方案，無論是同在一個工廠或是與工廠以外。 Anybus X-gateway 系列是聯(lián)接任意兩種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品。請瀏覽相關(guān)頁面了解如何使用 Anybus X-gateway ，簡單地實現(xiàn) I/O 數(shù)據(jù)交換，將新舊網(wǎng)絡(luò)進行聯(lián)接并相互通訊。
總結(jié)
在兩個網(wǎng)絡(luò)之間進行通訊并非簡單的問題，分析具體的應(yīng)用需要是十分重要的。
當(dāng)需要解決兩種網(wǎng)絡(luò)之間不同媒體之間轉(zhuǎn)換的情況時，媒體轉(zhuǎn)換器是很好的選擇。其設(shè)置也通常非常簡單。 當(dāng)遇到基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)和基于 PC 的監(jiān)測時，設(shè)備服務(wù)器是很有吸引力的方案。 網(wǎng)關(guān)能夠解決所有兩個網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)聯(lián)接問題。網(wǎng)關(guān)需要在安裝的時候進行設(shè)置和定義所需連接的兩種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。
要想將串行數(shù)據(jù)從專用協(xié)議提取到 web 中，必須使用支持全部 7 層協(xié)議的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品來解釋純數(shù)據(jù)并將其連接到 web 服務(wù)器。 （轉(zhuǎn)載）
