工业交换机研究框架（2024）

工业网络是指安装在工业生产环境中的一种综合集成网络，将工厂生产现场的各种要素连接在一起并提供可靠、实时通信的设施，集确定性、可靠性、灵活性于一体。工业网络的概念已经从最初的工业控制网络延伸到包含工业控制网络（OT）、工业信息网络（IT）以及工业物联网在内的网络全集。工业网络最重要的功能是实现传感器、控制器、执行器之间的通信，通常会在恶劣的环境下运行，所以对于连接性能和通信有着严格的要求。

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工业网络经历了计算机集中控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统三个发展阶段，目前正处于从现场总线技术到工业以太网的演进过程中。21世纪开始，IT与OT信息交互模式出现变革，工业网络未来还将向5G、TSN、APL等新型网络技术方向不断演进。

ISA-95标准参考模型将工业互联网系统分为五层，定义了从物理生产过程到企业管理各个层级所实现的功能。

同时，我国工业互联网产业联盟（AII）也定义了工业网络实施架构，包括设备层、边缘层、企业层和产业层四个层级，各个层级通过工业总线、边缘网关、工业以太网交换机、路由器和高质量专线等模块相互连接，形成一套全流程、全业务的公司内网与公司外网数据互通体系。

工业网络分为有线通信和无线通信，其中有线通讯技术包括了现场总线和工业以太网等，工业无线则包括了Wi-Fi、LoRA等。工业以太网相较于现场总线有更易于集成、适用范围更广的优势，有效解决了现场总线数据包传输延迟、数据丢失的问题，但是成本较高，且受限于距离和带宽。工业无线与前二者相比而言，不需要布置供电线路，同时能够连接更多监测和控制点，但是存在容易被电磁干扰、标准多样难以统一接口的问题。

工厂内网主要包括工业现场的生产网络（OT）以及信息网络（IT）。OT以工业控制网络为主，IT以工厂信息系统及办公网络为主。

OT是以计算机技术为辅助的自动化技术运营技术，采用的通讯协议有OPC UA、DDS、FDT、DTM等。

IT是以计算机技术为基础的软件技术互联网技术，采用的通讯协议有MQTT、AMQP、RESTful等。

由于OT与IT数据网络的传输协议有所差异，数据集成存在困难，无法满足工业互联网大趋势下多种业务彼此协同、共网传输的需求，二者的融合发展十分关键，而工业以太网作为一种解决OT与IT互联互通的方案在工厂内网架构中被大量应用。

工业交换机具有高效性、可靠性、安全性和易用性。其采用流控制、拥塞控制、错包重传等技术，确保数据传输的稳定和可靠；并且通过支持各种冗余技术和工业协议，提高网络的可靠性、稳定性和兼容性，从而适应各种工业现场的数据通信需求。随着电力、冶金、石化、环保、交通、建筑等行业的迅速发展，各行各业信息化建设对工业以太网交换机的需求也越来越大，其广泛应用于在轨道交通、智能制造、智慧矿山、工业自动化控制系统中。

工业交换机和商业交换机在功能可用性方面相似，在环境适应性方面差别较为显著。二者差别主要体现在温度、湿度、盐雾环境、振动环境、恶劣电磁干扰环境、海拔等各类环境下稳定可靠提供功能服务的能力。工业交换机在一些告警功能，冗余设计等方面也有考虑，这些是让工业交换机迥异于商业交换机的根本原因，因此二者替代弹性较小。

工业交换机可按功能和速率进行分类。工业交换机依据传输速率可分为百兆、千兆、万兆交换机，目前市场正向千兆、万兆升级过程，高端高速交换机需求逐步提升。

工业交换机需求逐步提升，技术创新、绿色环保、多元市场成为未来发展主旋律。从时长性与实效性来看，工业以太网交换机未来将进一步完善自身的技术，力求加强防护技术、通讯实时性、稳定性等，而无线网络、蓝牙、5G、TSN等网络技术的发展为工业以太网交换机技术的发展注入新的血液与活力。

全球工业以太网交换机将以7.1%的复合增速增长。据CMI，2023年全球工业以太网交换机市场规模约为33亿美元，折合人民币约231亿元。其中，中国市场约占全球市场的四分之一，市场规模约为57.8亿人民币。展望未来10年，市场将以8.4%的复合增速增长，到2032年工业以太网交换机全球市场规模有望达到68亿美元。

工业设备的连接数增长以及工业互联网渗透为工业交换机市场提供增长动能。随着工业4.0以及物联网覆盖率提升，工业设备连接数快速增长，带动了交换端口数量的提升。从场景看，光伏储能、智能驾驶、5G工厂等新型工业场景的增加也带来了更多的工业连接需求。

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