PROFINET工业以太网教程(4)——拓扑结构

上一篇文章我们介绍了PROFINET网络的重要组成元件——交换机，今天这篇文章，我们来介绍如何使用交换机构建不同的PROFINET网络拓扑结构。

拓扑结构源自拓扑学，它是研究不同的点-线构成的图形的特点的一门科学。在PROFINET网络中，"点"可以是CPU主机架，也可以是分布式IO站点；"线"就是用于连接CPU和各IO站点的通信线路，比如网线或者光纤；这些点和线是依靠交换机连接起来的。
根据连接方式的不同，PROFINET网络可以构成线型拓扑结构、星型拓扑结构、树型拓扑结构和环型拓扑结构。
1、线型拓扑结构
线型拓扑结构是使用一条传输线将网络中的节点先后连接所组成的拓扑结构。
很多现场总线，比如PROFIBUS/DeviceNet等都是线型拓扑结构。PROFINET也可以依靠交换机构成线型拓扑结构。交换机可以是单独的外围设备，也可以是节点内部集成的交换机。下面这张图是依靠节点内部交换机构成的PROFINET线型拓扑结构：

线型拓扑结构的优点是：结构简单、安装容易、传输线路最短、节省成本；
线型拓扑结构的缺点是：除了两端，其余节点增加或删除困难；单个节点发生故障能影响整个网络，并且故障定位比较困难，一般不用来构成大型网络；
2、星型拓扑结构
星型拓扑结构是以交换机为中心，将各个网络节点都连接到交换机上所组成的拓扑结构。
星型拓扑是PROFINET网络的典型拓扑结构，也是现代计算机网络使用的主要拓扑结构；在星型网络中，交换机是最核心的设备，下面这张图是PROFINET网络星型拓扑结构图：

星型拓扑结构的优点是：节点增加和删除灵活；单个节点故障不会影响网络整体运行；容易管理、诊断及监控；
星型拓扑结构的缺点是：布线复杂，成本高，交换机故障会导致网络瘫痪；
3、树型拓扑结构
将几个星型拓扑网络用交换机连接起来就构成树型拓扑网络。比如下面这张图：

许多企业网络、工厂的车间网络等都采用树型拓扑结构。它除了具有星型网络的优点外，还具有网络层次清晰，整体可靠性和安全性都很高的特点；当然，它也具有星型网络的缺点，比如交换机故障会导致某个分支瘫痪，布线成本高等；
4、环型拓扑结构
将线型拓扑结构首尾相连，组成一个封闭的环就构成了环型拓扑结构。
环型拓扑结构中信息只能沿一个方向流动，所有的节点都可以申请发送数据，因此需要一种“仲裁”机制，保证同一时间只有一个节点发送数据，通常是使用令牌。
环型网络其实是线型网络的改版，因此它也具有线型网络的优缺点。优点在于布线简单、线路短；缺点也很明显，比如一个节点发生故障时，会影响整个网络；节点增加删除困难；
环型网络在实际工程中使用的不多，比较典型的应用是构成冗余环网。
比如，下面这张图是两个S7-1500 CPU构成的PROFINET环型拓扑网络：