在PROFINET应用中如何选择交换机

PROFINET循环的实时通信报文基于IEEE802.3，具有4个字节的VLAN标签（IEEE802.1p），该标签其中的3个位可以表示PROFINET实时数据的优先级，参考图1 PROFINET实时报文。

图1 PROFINET实时报文

PROFINET循环的实时数据报文具有优先级，且用户优先级为6。VLAN标示符VID=0表示报文仅包含优先级信息，而不是一个有效地VLAN标识。
报文具有“用户优先级”符合IEEE802.1p标准，IEEE802.1p具有如下特点：
支持IEEE802.1p的交换机会优先转发高优先级的数据，IEEE802.1p标准

• 通过在OSI 2层给数据加入优先级以及交换机中的不同队列分配，实现加速报文转发。
• TCI中包含表示服务种类(Class of Service)的3个位，这样CoS服务就有8个优先级，其中0为最低优先级，而7为最高优先级。
• 不同的应用按照不同的方式进行处理
• 赋予实时应用更高的优先级
• 赋予普通的应用较低的优先级
  这样在IEEE802.1p的支持下，用户终端主机能请求所提交流量的优先等级，网络设备则在帧头上设置相应的标记予以实施。802.1p可以将以太网中的流量分为8个优先等级，将时间敏感的视频/音频以较高的优先级在交换式以太网中传送，以支持以太网上各类业务的QoS。参考表1 。

表1

目前，许多以太网交换机都能够支持多优先级业务的分类处理，即支持IEEE802.1p，根据数据帧中的“用户优先级”字段内容的不同进行缓存、数据转发等操作。理想情况下，以太网交换机能支持的优先级与802.1p规定的优先级相同，但实际情况有时并非如此。
西门子的SCALANCE X以太网交换机产品中，X-00系列具有两个优先级堆栈，高的优先级堆栈处理具有用户优先级4，5，6，7的数据，低的优先级堆栈处理具有用户优先级3，0，1的数据。对于SCALANCE X100系列到SCALANCE X400系列所支持的优先级与IEEE802.1p所规定的优先级相同。具有4个优先级堆栈，每个堆栈处理不同用户优先等级的数据，参考图2 SCALANCE X交换机优先级堆栈。SCALANCE X以太网交换机会根据数据的用户优先级的不同由内部不同的优先级堆栈来处理。这也表明SCALANCE X100系列到SCALANCE X400系列的产品可以细分用户优先级的数据，对于用户优先级6，7由最高优先级堆栈处理优先转发。

图2 SCALANCE X交换机优先级堆栈

SCALANCE X以太网交换机会优先对高优先级的堆栈中的高优先级数据进行转发。参考图3 IEEE802.1p报文优先转发原则。帧1正在被发送，表明不会中断正在发起的数据传输。帧2的优先级低于帧3，所以优先转发帧3。最终端口1的数据帧发送顺序为帧1，帧3，帧2。

图3 IEEE802.1p报文优先转发原则

除此以外，X200系列以上的SCALANCE X交换机不但可以在Step7中作为IO设备进行组态，也可以在Step7中实现集成诊断。参考图4 交换机组态。

图4 交换机组态

在使用SCALANCE X300和SCALANCE X400系列的交换机应用在PROFINET实时应用中，由于这两种系列的交换机不但支持IEEE802.1p还支持IEEE802.1Q，即VLAN。那么这两类以太网交换机则认为VLAN ID=0的帧不带有VLAN标签。这意味着PROFINET实时报文（VID=0）在这两类交换机之中转发不具有优先级，与普通的数据一样，不会被交换机优先转发。所以在使用这两类交换机时，需要特别注意，这种情况下，可以使用2种方式来改善：
第一种情况，就是使用SCALANCE X200系列以下的交换机，这样由于这些系列的交换机不支持IEEE802.1Q，仅支持IEEE802.1p，所以会优先转发PROFINET实时数据。
第二种情况，如果使用SCALANCE X300/400时，且PROFINET实时数据与普通数据在一个通道上进行传输，需要给PROFINET的数据传输通道设置VLAN。例如图5 组态举例。PROFINET IO控制器和IO设备的PROFINET实时通信与PC1和PC2的普通通讯，例如TCP/IP，共同占用2台SCALANCE X400之间的通道。由于SCALANCE X400支持IEEE802.1Q，交换机会认为PROFINET 实时数据与普通的TCP/IP数据的优先级一样，这样不会优先转发PROFINET实时数据。

图5 组态举例

其中，PC1和PC2分别连接在各自SCALANCE X400交换机端口P10.1，PROFINET设备则分别连接在各自SCALANCE X400交换机端口P9.1，交换机之间的连接通过各自的P11.1进行连接。那么设置PROFINET设备和PC设备都属于VLAN2，两台交换机的设置如下图6 交换机Web组态。关于VLAN的详细设置，请参考西门子网站网上课堂《西门子交换机SCALANCE X VLAN组态》，链接如下：82454083

图6 交换机Web组态

通过设置VLAN后，PROFINET的实时数据的优先级会被SCALANCX300/400交换机所识别，这样PROFINET的实时数据被优先转发，达到实时的目的。

关键词
PROFINET，交换机，VLAN，IEEE802.1p，优先级

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