乙太網技術

乙太網指的是由Xerox公司創建並由Xerox,Intel和DEC公司聯合開發的基帶區域網規範。乙太網路使用CSMA/CD（載波監聽多路訪問及衝突檢測技術）技術，並以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。乙太網與IEEE802·3系列標準相類似。

乙太網不是一種具體的網路，是一種技術規範。

乙太網是當今現有區域網採用的最通用的通信協議標準。該標準定義了在區域網（LAN）中採用的電纜類型和信號處理方法。乙太網在互聯設備之間以10~100Mbps的速率傳送信息包，雙絞線電纜10 Base T乙太網由於其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成為應用最為廣泛的乙太網技術。直擴的無線乙太網可達11Mbps，許多製造供應商提供的產品都能採用通用的軟體協議進行通信，開放性最好。

目前在工業自動化控制網路的控制層和現場設備層，現場匯流排是最主要的通信方式。隨著工業自動化控制的深化和廣化，統一通信標準成為公認的發展方向，工業乙太網技術將成為現場匯流排技術的重要替代。

（1）工業控制網路的發展需求

首先，隨著工業現場設備的智能化以及控制方式由單點控制走向協同系統控制，現場設備之間需要進行實時、快速的通信，傳輸數據的帶寬也相應由窄帶轉向寬頻。

其次，工業控制系統由工廠自動化發展到城市公共事業自動化（如城市地鐵控制系統、城市智能配電系統等），再發展到廣域控制系統（如特高壓智能電網控制系統、高速鐵路智能控制系統等），工業控制系統日趨分散。

最後，在工業控制的上層，需要集成生產計劃和控制、質量管理、跟蹤能力、維護系統等功能，希望從現場設備到本地操作站、管理層的整個控制網路實現透明一體化以提高生產率，更快地評估、控制系統的每一部分，從而實現高效、實時、透明的遠程運營和管理。

綜上，工業控制網路正朝著寬頻、實時、透明、雙向、互操作的方向發展，這就需要工業控制網路具備標準化、歸一化的技術特點，以實現管理層、控制層和現場設備層更好的互連、互通和互操作。

（2）現場匯流排技術的不足

現場匯流排技術（Fieldbus）是上世紀80 年代末、90 年代初國際上發展形成的一項工業通信技術，最近二十多年中，現場匯流排是現場級數據通信系統的主流解決方案。

現場匯流排技術儘管已有一定範圍的磋商合併，但至今尚未形成完整統一的國際標準。其中具有較強實力和影響力的現場匯流排技術包括Foundation Fieldbus、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline 等。它們具有各自的特色，在不同應用領域形成了自己的優勢，但互不兼容，這一現狀一定程度上阻礙了全球工業信息化的進程。現場匯流排技術的主要不足之處在於：

①管理層與控制層及現場設備層採用不同的通信協議，上下層之間通過上位機連接，無法直接通信，管理層不能直接訪問控制區域的設備；

②由於國際標準推出緩慢，各類現場匯流排採用不同的技術，相互之間缺乏互連性和互操作性，不能實現透明連接；

③傳輸速率不高，缺乏對其它應用如語音、圖像數據的支持能力；

④由於現場匯流排是專用實時通信網路，成本較高。

（3）工業乙太網技術的優勢

工業乙太網能夠提供現場匯流排無法提供的如下技術特性：

①將工業控制系統與辦公信息化系統融合，形成一體化的透明網路；

②更寬的帶寬和更大的數據包以滿足越來越多的智能自動化設備的通信；

③更快速的同步實時通信以滿足運動控制應用的需求；

④在更大範圍內連接更多的設備並為之設置地址；

⑤主要使用乙太網構造同質網路；

⑥提供新功能如製造執行系統MES、在線升級固件、遠程組態及故障處理；

⑦集成現有的現場匯流排系統；

⑧實現更好的互操作性；

⑨可以使用標準化、低成本的乙太網設備，如交換機、線纜、集線器等。

工業乙太網可以構建互連、互通，以及具有更好互操作性的透明一體化工業控制網路，實現工業控制網路與企業信息網路的無縫連接，形成企業級管控一體化的全開放網路，實現管理層、控制層到現場設備層之間工業通信的“e 網到底”

乙太網技術的最初進展來自於施樂帕洛阿爾托研究中心的許多先鋒技術項目中的一個。人們通常認為乙太網發明於1973年，當年鮑勃。梅特卡夫(Bob Metcalfe)給他PARC的老闆寫了一篇有關乙太網潛力的備忘錄。但是梅特卡夫本人認為乙太網是之後幾年才出現的。在1976年，梅特卡夫和他的助手David Boggs發表了一篇名為《乙太網：局域計算機網路的分散式包交換技術》的文章。

1979年，梅特卡夫為了開發個人電腦和區域網離開了施樂(Xerox)，成立了3Com公司。3Com對DEC、英特爾和施樂進行遊說，希望與他們一起將乙太網標準化、規範化。這個通用的乙太網標準於1980年9月30日出台。當時業界有兩個流行的非公有網路標準令牌環網和ARCNET，在乙太網大潮的衝擊下他們很快萎縮並被取代。而在此過程中，3Com也成了一個國際化的大公司。

梅特卡夫曾經開玩笑說，Jerry Saltzer為3Com的成功作出了貢獻。Saltzer在一篇與他人合著的很有影響力的論文中指出，在理論上令牌環網要比乙太網優越。受到此結論的影響，很多電腦廠商或猶豫不決或決定不把乙太網介面做為機器的標準配置，這樣3Com才有機會從銷售乙太網網卡大賺。這種情況也導致了另一種說法“乙太網不適合在理論中研究，只適合在實際中應用”。也許只是句玩笑話，但這說明了這樣一個技術觀點：通常情況下，網路中實際的數據流特性與人們在區域網普及之前的估計不同，而正是因為乙太網簡單的結構才使區域網得以普及。梅特卡夫和Saltzer曾經在麻省理工學院MAC項目(Project MAC)的同一層樓里工作，當時他正在做自己的哈佛大學畢業論文，在此期間奠定了乙太網技術的理論基礎。

乙太網基於網路上無線電系統多個節點發送信息的想法實現，每個節點必須取得電纜或者通道的才能傳送信息，有時也叫作以太（Ether）。(這個名字來源於19世紀的物理學家假設的電磁輻射媒體-光以太。後來的研究證明光以太不存在。) 每一個節點有全球唯一的48位地址也就是製造商分配給網卡的MAC地址，以保證乙太網上所有系統能互相鑒別。由於乙太網十分普遍，許多製造商把乙太網卡直接集成進計算機主板.

已經發現乙太網通訊具有自相關性的特點，這對於電信通訊工程十分重要的。

帶衝突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)技術規定了多台電腦共享一個通道的方法。這項技術最早出現在1960年代由夏威夷大學開發的ALOHAnet，它使用無線電波為載體。這個方法要比令牌環網或者主控制網要簡單。當某台電腦要發送信息時，必須遵守以下規則:

開始 - 如果線路空閑，則啟動傳輸，否則轉到第4步 發送 - 如果檢測到衝突，繼續發送數據直到達到最小報文時間 (保證所有其他轉發器和終端檢測到衝突)，再轉到第4步. 成功傳輸 - 向更高層的網路協議報告發送成功，退出傳輸模式。線路忙 - 等待，直到線路空閑 線路進入空閑狀態 - 等待一個隨機的時間，轉到第1步，除非超過最大嘗試次數 超過最大嘗試傳輸次數 - 向更高層的網路協議報告發送失敗，退出傳輸模式 就像在沒有主持人的座談會中，所有的參加者都通過一個共同的媒介（空氣）來相互交談。每個參加者在講話前，都禮貌地等待別人把話講完。如果兩個客人同時開始講話，那麼他們都停下來，分別隨機等待一段時間再開始講話。這時，如果兩個參加者等待的時間不同，衝突就不會出現。如果傳輸失敗超過一次，將採用退避指數增長時間的方法（退避的時間通過截斷二進位指數退避演演算法(truncated binary exponential backoff)來實現）。

最初的乙太網是採用同軸電纜來連接各個設備的。電腦通過一個叫做附加單元介面（Attachment Unit Interface，AUI）的收發器連接到電纜上。一根簡單網線對於一個小型網路來說還是很可靠的，對於大型網路來說，某處線路的故障或某個連接器的故障，都會造成乙太網某個或多個網段的不穩定。

因為所有的通信信號都在共用線路上傳輸，即使信息只是發給其中的一個終端（destination），某台電腦發送的消息都將被所有其他電腦接收。在正常情況下，網路介面卡會濾掉不是發送給自己的信息，接收目標地址是自己的信息時才會向CPU發出中斷請求，除非網卡處於混雜模式（Promiscuous mode）。這種“一個說，大家聽”的特質是共享介質乙太網在安全上的弱點，因為乙太網上的一個節點可以選擇是否監聽線路上傳輸的所有信息。共享電纜也意味著共享帶寬，所以在某些情況下乙太網的速度可能會非常慢，比如電源故障之後，當所有的網路終端都重新啟動時。

在乙太網技術的發展中，乙太網集線器(Ethernet Hub)的出現使得網路更加可靠，接線更加方便。

因為信號的衰減和延時，根據不同的介質乙太網段有距離限制。例如，10BASE5同軸電纜最長距離500米(1,640英尺)。最大距離可以通過乙太網中繼器實現，中繼器可以把電纜中的信號放大再傳送到下一段。中繼器最多連接5個網段，但是只能有4個設備（即一個網段最多可以接4個中繼器）。這可以減輕因為電纜斷裂造成的問題：當一段同軸電纜斷開，所有這個段上的設備就無法通訊，中繼器可以保證其他網段正常工作。

類似於其他的高速匯流排，乙太網網段必須在兩頭以電阻器作為終端。對於同軸電纜，電纜兩頭的終端必須接上被稱作“終端器”的50歐姆的電阻和散熱器，and affixed to a male M or BNC connector.如果不這麼做，就會發生類似電纜斷掉的情況：匯流排上的AC信號當到達終端時將被反射，而不能消散。被反射的信號將被認為是衝突，從而使通信無法繼續。中繼器可以將連在其上的兩個網段進行電氣隔離，增強和同步信號。大多數中繼器都有被稱作“自動隔離”的功能，可以把有太多衝突或是衝突持續時間太長的網段隔離開來，這樣其他的網段不會受到損壞部分的影響。中繼器在檢測到衝突消失后可以恢復網段的連接。

隨著應用的拓展，人們逐漸發現星型的網路拓撲結構最為有效，於是設備廠商們開始研製有多個埠的中繼器。多埠中繼器就是眾所周知的集線器(Hub)。集線器可以連接到其他的集線器或者同軸網路。

第一個集線器被認為是“多埠收發器”或者叫做“fanouts”。最著名的例子是DEC的DELNI，它可以使許多台具有AUI連接器的主機共用一個收發器。集線器也導致了不使用同軸電纜的小型獨立乙太網網段的出現。

像DEC和SynOptics這樣的網路設備製造商曾經出售過用於連接許多10BASE-2細同軸線網段的集線器。

非屏蔽雙絞線( unshielded twisted-pair cables , UTP )最先應用在星型區域網中，之後在10BASE-T中也得到應用，並最終代替了同軸電纜成為乙太網的標準。這項改進之後，RJ45電話介面代替了 AUI 成為電腦和集線器的標準界口，非屏蔽3類雙絞線/5類雙絞線成為標準載體。集線器的應用使某條電纜或某個設備的故障不會影響到整個網路，提高了乙太網的可靠性。雙絞線乙太網把每一個網段點對點地連起來，這樣終端就可以做成一個標準的硬體，解決了乙太網的終端問題。

採用集線器組網的乙太網儘管在物理上是星型結構，但在邏輯上仍然是匯流排型的，半雙工的通信方式採用CSMA/CD的衝突檢測方法，集線器對於減少包衝突的作用很小。每一個數據包都被發送到集線器的每一個埠，所以帶寬和安全問題仍沒有解決。集線器的總吞吐量受到單個連接速度的限制( 10或100 Mbit/s )，這還是考慮在前同步碼、幀間隔、頭部、尾部和打包上花銷最少的情況。當網路負載過重時，衝突也常常會降低總吞吐量。最壞的情況是，當許多用長電纜組網的主機傳送很多非常短的幀時，網路的負載僅達到50%就會因為衝突而降低集線器的吞吐量。為了在衝突嚴重降低吞吐量之前盡量提高網路的負載，通常會進行一些設置工作。

儘管中繼器在某些方面隔離了乙太網網段，電纜斷線的故障不會影響到整個網路，但它向所有的乙太網設備轉發所有的數據。這嚴重限制了同一個乙太網網路上可以相互通信的機器數量。為了減輕這個問題，橋接方法被採用，在工作在物理層的中繼器之基礎上，橋接工作在數據鏈路層。通過網橋時，只有格式完整的數據包才能從一個網段進入另一個網段；衝突和數據包錯誤則都被隔離。通過記錄分析網路上設備的MAC地址，網橋可以判斷它們都在什麼位置，這樣它就不會向非目標設備所在的網段傳遞數據包。象生成樹協議這樣的控制機制可以協調多個交換機共同工作。

早期的網橋要檢測每一個數據包，這樣，特別是同時處理多個埠的時候，數據轉發相對Hub（中繼器）來說要慢。1989年網路公司Kalpana發明了EtherSwitch，第一台乙太網交換機。乙太網交換機把橋接功能用硬體實現，這樣就能保證轉發數據速率達到線速。

大多數現代乙太網用乙太網交換機代替Hub。儘管布線同Hub乙太網是一樣的，但是交換式乙太網比共享介質乙太網有很多明顯的優勢，例如更大的帶寬和更好的結局隔離異常設備。交換網路典型的使用星型拓撲，儘管設備工作在半雙工模式是仍然是共享介質的多結點網。10BASE-T和以後的標準是全雙工乙太網，不再是共享介質系統。

交換機加電后，首先也像Hub那樣工作，轉發所有數據到所有埠。接下來，當它學習到每個埠的地址以後，他就只把非廣播數據發送給特定的目的埠。這樣，線速乙太網交換就可以在任何埠對之間實現，所有埠對之間的通訊互不干擾。

因為數據包一般只是發送到他的目的埠，所以交換式乙太網上的流量要略微小於共享介質式乙太網。儘管如此，交換式乙太網依然是不安全的網路技術，因為它還很容易因為ARP欺騙或者MAC滿溢而癱瘓，同時網路管理員也可以利用監控功能抓取網路數據包。

當只有簡單設備(除Hub之外的設備)接入交換機埠，那麼整個網路可能工作在全雙工方式。如果一個網段只有2個設備，那麼衝突探測也不需要了，兩個設備可以隨時收發數據。總的帶寬就是鏈路的2倍(儘管帶寬每個方向上是一樣的)，但是沒有衝突發生就意味著允許幾乎100%的使用鏈路帶寬。

交換機埠和所連接的設備必須使用相同的雙工設置。多數100BASE-TX和1000BASE-T設備支持自動協商特性，即這些設備通過信號來協調要使用的速率和雙工設置。然而，如果自動協商被禁用或者設備不支持，則雙工設置必須通過自動檢測進行設置或在交換機埠和設備上都進行手工設置以避免雙工錯配——這是乙太網問題的一種常見原因(設備被設置為半雙工會報告遲發衝突，而設備被設為全雙工則會報告runt)。許多低端交換機沒有手工進行速率和雙工設置的能力，因此埠總是會嘗試進行自動協商。當啟用了自動協商但不成功時(例如其他設備不支持)，自動協商會將埠設置為半雙工。速率是可以自動感測的，因此將一個10BASE-T設備連接到一個啟用了自動協商的10/100交換埠上時將可以成功地建立一個半雙工的10BASE-T連接。但是將一個配置為全雙工100Mb工作的設備連接到一個配置為自動協商的交換埠時(反之亦然)則會導致雙工錯配。

即使電纜兩端都設置成自動速率和雙工模式協商，錯誤猜測還是經常發生而退到10Mbps模式。因此，如果性能差於預期，應該查看一下是否有計算機設置成10Mbps模式了，如果已知另一端配置為100Mbit，則可以手動強制設置成正確模式。.

當兩個節點試圖用超過電纜最高支持數據速率（例如在3類線上使用100Mbps或者3類/5類線使用1000Mbps）通信時就會發生問題。不像ADSL或者傳統的撥號Modem通過詳細的方法檢測鏈路的最高支持數據速率，乙太網節點只是簡單的選擇兩端支持的最高速率而不管中間線路。因此如果過高的速率導致電纜不可靠就會導致鏈路失效。解決方案只有強制通訊端降低到電纜支持的速率。引

工業乙太網就是人體的神經系統，它能敏感地將各種信息反饋給指揮者，也是傳輸指令的重要通道。

在現代化工廠中，工業乙太網的使用已十分廣泛。而在現代工業全面邁向信息化的今天，更多的用戶利用工業乙太網進行信息傳輸，完成更加集成的工業自動化和信息化解決方案，現代工業也在工業乙太網的推動下朝著更加智能化的方向發展。

工業乙太網的迅速普及為工業的發展注入了一股新鮮的活力。但如何選擇並使用好工業乙太網，卻是一門很大的學問。由於工業環境的特殊性，選擇工業乙太網要從多方面去考慮，乙太網通信協議、通信速率、安裝方式、散熱問題及周邊的工業環境，都對工業乙太網的使用有非常大的影響。此外，還要考慮乙太網的安全性、實時性及冗餘等，需要設計工程師了解工業環境、生產流程及工業控制紡織等多方面因素。

當然，隨著西門子、羅克韋爾，以及倍福等一大批自動化公司的推廣，已經有越來越多的自動化工程師加深了對工業乙太網的了解，加大了工業乙太網在工業現場實施的可能。

要了解乙太網，必須要深入了解整個製造企業的需求。隨著乙太網技術的進步，未來的工業網路必然是集高速度、高帶寬於一體的網路，便於生產控制與規劃，可以對生產、物流、質量控制及產品追蹤於一身。

工業乙太網的技術基礎及應用方式多是基於商用乙太網發展而來的，在全球主導的有線網路將數據傳輸技術的基礎上，根據工業領域的特點要求，採用乙太網通信協議作為基本技術發展而生。工業乙太網市場需求十分廣泛，無論是新建一條現代化的製造生產線，還是對舊有設備的改造，都會大量使用工業乙太網。工業乙太網的市場增長率也始終居高不下，據有關統計，每年新增工業網路介面數量都將會是前一年的一倍左右。而隨著工業乙太網技術延展而帶動的PLC、DCS及PC_Based等控制類產品的市場容量，更是難以計算。

與普通的乙太網相比，工業乙太網需要解決開放性、實時性、同步性、可靠性、抗干擾性及安全性等諸多方面的問題，這也是工業自動化廠商不同於普通IT廠商能為工業用戶帶去更大價值的地方。

在工業上，起初的工業乙太網更多地被應用於管理層和控制層。隨著通信網路技術的發展，更多的乙太網功能技術得以提高，使得工業乙太網的應用範圍更為廣闊。如在實時性方面，由於乙太網的信息通訊採用的是信息順序傳輸的方式，這種方式當通路擁擠的時候，就會造成一定的通路堵塞。這在對現場通訊實時性要求非常高的地方是不能滿足要求的。

現在在工業中，通常會採用專用的工業乙太網交換機，定義不同的太網幀優先等級，讓用戶所希望的信息能夠以最快的速度傳遞出去。隨著實時性與同步性的解決，在紡織與汽車製造等多個領域應用中，運動控制中已經有許多人採用實時乙太網。

另外，包括profinet、EtherNet/IP及EtherCAT等乙太網通訊協議都已經開始或實現了安全協議。相信隨著安全協議的採用，工業乙太網會得到更多的應用。

此外，商用乙太網中的無線技術也為乙太網的工業應用提供了更多的可能。無線網路技術具有移動靈活、易於安裝及成本低廉等優點，尤其是隨著3G技術的成功應用，更加證明了無線網路技術的成熟，使得無線技術在工業環境中的應用變得更加現實。

在乙太網逐步由工廠信息層向下延伸至控制層、執行層的今天，工業乙太網的應用趨勢不言而喻。隨著信息化的進步，工業乙太網更擔負著貫穿整個工業網路的任務，為生產製造實現更高度的集成、高效發揮著重要作用，實現一網到底不單單是工業乙太網廠商的責任，更是工業自動化發展的未來。

隨著時間的推移，工業乙太網已經漸漸發展進入全球工控自動化的標準通信技術之列。雖然現場匯流排類似Profibus、Modbus和ControlNet仍然隨處可見，但他們的重要性隨著工業乙太網的普及正在快速地降低。工業乙太網為用戶提供的優勢是顯而易見的：更高的效率、更多的功能和更高的適應性。這可以使得從管理級到現場級的數據通信採用統一的方式，反之亦然。沒有了介面互不兼容的問題，就可以在整個公司網路中使用基於web標準的工具。

目前工業乙太網最主要的使用在管理層和控制層。並且藉由特殊的實時乙太網技術，在運動控制應用中，可以滿足響應時間少於1ms的應用要求。例如CIPsync，ProfiNetIRT和ETHERNETPowerlink都已實現了此類應用，因此實時性的問題可以被認為已經解決了。安全問題的狀況也是相似的，基本問題是一個基於乙太網傳輸的適當的安全協議，像是基於Profinet的Profisafe、基於EtherNet/IP的CIPSafety都即將投入實際應用。