1  以太網(wǎng)的由來(lái)
    最早的以太網(wǎng)應(yīng)該追溯到施樂(lè)公司（Xerox）的PARC（Palo Alto Rebbbbbb Center）研究項(xiàng)目，當(dāng)時(shí)為20世紀(jì)70年代初，速度2.94Mbps。到了1980年，由數(shù)字設(shè)備公司（DEC）、英特爾公司（Inbbb ）和施樂(lè)公司頒布了DIX V1.0標(biāo)準(zhǔn)，把以太網(wǎng)的速度提升到10Mbps，但仍采用同軸“粗纜”作為傳輸介質(zhì)。在1982年，DIX V2.0標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，這就是人們目前最常用，也最熟悉的Ethernet II。

    在DIX標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的同時(shí)，電氣與電子工程協(xié)會(huì)（IEEE）也計(jì)劃由802委員會(huì)制定開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。1985年，由IEEE頒布了“IEEE802.3載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)及沖突檢測(cè)（CSMS/CD）的訪問(wèn)方法和物理層規(guī)范”，由于DIX 2.0和802.3的幀格式略有差別，故在泛談以太網(wǎng)時(shí)，要注意二者之間的細(xì)微差別，因?yàn)橛杏脩粢蜻x錯(cuò)幀格式而造成網(wǎng)絡(luò)連接不上的情況。

2  以太網(wǎng)的連接

圖1  最早版本的太網(wǎng)連接圖

   最著名的以太網(wǎng)連接圖，莫過(guò)于Bob Metcalfe 繪制的最早版本的圖了（如圖1所示）。由圖1中看出，以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，干纜被稱之為“以太”（Ether），兩端有終端頭（Terminator）結(jié)尾，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由分支器（Tap）引出，然后是收發(fā)器（Transceiver）接分支電纜（Interface cable）到計(jì)算機(jī)或控制器的接口卡（Interface）。重畫后的圖如圖2所示。

圖2  重畫后的圖

    圖2中的以太網(wǎng)使用粗纜，即同軸電纜，并需要收發(fā)器，通過(guò)AUI電纜與計(jì)算機(jī)或控制器相連。

    隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的以太網(wǎng)已由過(guò)去的總線式連接，變?yōu)樾切芜B接。

3  以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)
    以太網(wǎng)是一種局域網(wǎng)(LAN，Local Area Network), 早期的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.3，數(shù)據(jù)鏈路層使用CSMA/CD，10Mbps速度。物理層有：
    10Base 5 粗同軸電纜，RG-8，一段最長(zhǎng)為500米。
    10Base 2 細(xì)同軸電纜，RG-58，一段最長(zhǎng)為185米。
    10Base T 雙絞線，UTP或STP，一段最長(zhǎng)為100米。
    快速以太網(wǎng)為100Mbps，標(biāo)準(zhǔn)為802.3u，介質(zhì)為：
    100 Base Tx 雙絞線；
    100 Base Fx 光纖。
    目前10M/100M的以太網(wǎng)使用最為普遍，很多企事業(yè)的用戶已經(jīng)實(shí)現(xiàn)100M以太網(wǎng)到桌面，確實(shí)體驗(yàn)到高速“沖浪”的快感，另外從距離而言，非屏蔽雙絞線（UTP）可達(dá)100米，多模光纖可達(dá)2～3公里，單模光纖可大于100公里。

    千兆以太網(wǎng)，1000Mbps為802.3z / 802.3ab，萬(wàn)兆以太網(wǎng)10Gbps為802.3ae，將為新一輪以太網(wǎng)的發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇與沖擊。

4  為什么要使用以太網(wǎng)？
    以下幾個(gè)因素促使了以太網(wǎng)的快速發(fā)展：
    (1)  實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的造價(jià)最經(jīng)濟(jì)
    從現(xiàn)有和實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，無(wú)疑以太網(wǎng)是造價(jià)最經(jīng)濟(jì)的，無(wú)論計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡，很多主板（Mother board）已經(jīng)集成了以太網(wǎng)口，單買PCI或ISA的以太網(wǎng)卡，售價(jià)低于100元人民幣。而有些專用網(wǎng)卡的價(jià)格則高達(dá)萬(wàn)元人民幣（如某些工業(yè)網(wǎng)絡(luò)），超五類的雙絞線也是各類網(wǎng)絡(luò)線中最便宜的，甚至多模光纜的價(jià)格也跌破10元/米，這對(duì)工業(yè)行業(yè)的用戶更是一個(gè)好消息，而且市面上有琳瑯滿目的集線器（Hub）、交換機(jī)（ Switch）、路由器（Router）、收發(fā)器（Transceiver）等連接設(shè)備可供選擇，更不會(huì)受某個(gè)廠商的約束。

    (2)  以太網(wǎng)的性能最優(yōu)
    早期的以太網(wǎng)速度為10Mbps，傳送一幅標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀（1518字節(jié)），需要1.2ms，100Mbps需要120ns，1Gbps需12ns，而今天10Gbps只要1.2ns，所以比起其他網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，性能相差極大。

    (3)  操作系統(tǒng)的支持
    無(wú)論是使用bbbbbbs，還是使用Unix或者Linux，以太網(wǎng)都是操作系統(tǒng)當(dāng)然支持的網(wǎng)絡(luò)。

    (4)  以太網(wǎng)的市場(chǎng)分額最大
    電子類產(chǎn)品的特點(diǎn)是：數(shù)量越大，價(jià)格也越便宜，所以說(shuō)選擇以太網(wǎng)并非是商家的選擇，而是用戶的選擇，應(yīng)用的選擇，市場(chǎng)的選擇。

    (5)  以太網(wǎng)的拓?fù)湫问蕉鄻?BR>    除了是總線型和星型的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)外，還可以構(gòu)成環(huán)型、雙環(huán)型、雙總線型和混合型多種結(jié)構(gòu)。

    (6)  以太網(wǎng)的速度可按需進(jìn)行“分配”
    在主干網(wǎng)上，交換機(jī)口端口速度可達(dá)10G，背板總線可達(dá)幾百個(gè)G，而到桌面或現(xiàn)場(chǎng)I/O可使用10M以太網(wǎng)，這也是以太網(wǎng)所獨(dú)有的特點(diǎn)，可按照使用需要，選用不同速度的產(chǎn)品，這一特點(diǎn)也可以保護(hù)老用戶的投資，老用戶的產(chǎn)品仍可使用，而一般專用網(wǎng)絡(luò)速度是一樣的。

    (7)  以太網(wǎng)擴(kuò)展靈活
    用戶可以隨時(shí)構(gòu)建新的以太網(wǎng)，并把它加入到原來(lái)的網(wǎng)絡(luò)之中，這種引入甚至在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)即可進(jìn)行。

    (8)  以太網(wǎng)的伸展距離巨大
    由于光纜的使用，使得局域網(wǎng)的范圍大大增加了，原來(lái)百米的距離現(xiàn)在可擴(kuò)至幾公里到百公里。

    (9)  以太網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接非常方便
    通過(guò)路由器，以太網(wǎng)很容易同X.25、ISDN、PSTN、ADSL、FR、ATM等網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。

5  工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)的區(qū)別

表1  一些常用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

    什么是工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)？技術(shù)上它與IEEE802.3兼容，故從邏輯上可把商用和工業(yè)網(wǎng)看成是一個(gè)以太網(wǎng)，而用戶可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，靈活裝配自己的網(wǎng)絡(luò)部件，但從工業(yè)環(huán)境的惡劣和抗干擾的要求，設(shè)計(jì)者希望采用市場(chǎng)上可以找到的以太網(wǎng)芯片和媒介，兼顧考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特殊要求，首先要考慮的是高溫、潮濕、震動(dòng)；第二是對(duì)工業(yè)抗電磁干擾和抗輻射有一定要求，比如滿足EN50081-2、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)，而辦公室級(jí)別的產(chǎn)品未經(jīng)過(guò)這些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。為了改善抗干擾性和降低輻射，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品多使用多層線路板或雙面電路板，并且外殼采用金屬，如鑄鋁來(lái)屏蔽干擾；第三是電源要求，因?yàn)榧€器、交換機(jī)、收發(fā)器多為有源部件，而現(xiàn)場(chǎng)電源的品質(zhì)又較差，故通常都采用雙路的直流電或交流電為其供電。另外考慮方便安裝，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品多數(shù)使用DIN導(dǎo)軌或面板安裝；第四是通訊介質(zhì)的選擇，在辦公室環(huán)境下，多數(shù)配線多使用UTP，而在工業(yè)環(huán)境下，推薦用戶使用STP（帶屏蔽雙絞線）和光纖（Optical Fiber）。

6  如何提高工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的可靠性？
    傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是總線型結(jié)構(gòu)或星型結(jié)構(gòu)，而且很少談及冗余問(wèn)題，由于工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)其有可靠性的要求，故很多廠商對(duì)其進(jìn)行了進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，目前已經(jīng)可以滿足用戶的各種要求。

    如果用戶擔(dān)心網(wǎng)卡或網(wǎng)絡(luò)模塊的問(wèn)題，可選用雙網(wǎng)卡或雙網(wǎng)絡(luò)模板，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口的冗余，如果擔(dān)心網(wǎng)線不可靠，可選用雙總線、雙分支線、單環(huán)、雙環(huán)結(jié)構(gòu)，而實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段的雙重冗余和四重冗余，如果擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)接線設(shè)備出故障可選擇集成器和交換機(jī)雙重冗余或熱備，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的冗余。

    由于采用上述各種安全技術(shù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生一個(gè)或多個(gè)故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)仍能正常工作，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)非常嚴(yán)重的故障時(shí)，由于智能交換設(shè)備內(nèi)置了高速的冗余算法，通常在300ms之內(nèi)可以完成切換，使網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常，有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備甚至可在網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新配置，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)和擴(kuò)展。

7  如何保證工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性？
    如果在應(yīng)用層使用Modbus這樣小巧的協(xié)議，它的報(bào)文（幀）比標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)的報(bào)文小許多（Modbus TCP的報(bào)文長(zhǎng)度為256個(gè)字節(jié)，而以太網(wǎng)的報(bào)文長(zhǎng)度為1518字節(jié)，兩者相差5倍），所以減少了碰撞幾率。

    采用交換式以太網(wǎng)取代共享式以太網(wǎng)。使用集成器的以太網(wǎng)，所有連在其上面的設(shè)備都共享這一以太網(wǎng)的帶寬，所有設(shè)備都位于同一沖突域內(nèi)，所以它們之間很容易發(fā)生沖突。如果采用交換機(jī)，那么每個(gè)端口之間是相互隔離的，也就是說(shuō)，每個(gè)端口都獨(dú)享帶寬，直到與另一個(gè)口發(fā)生連接時(shí)（虛擬連按）才產(chǎn)生一個(gè)沖突域，且和其它端口無(wú)關(guān)，這樣看來(lái)，交換機(jī)自動(dòng)把原來(lái)的一個(gè)沖突域劃分成多個(gè)沖突域，故減少了沖突的發(fā)生。

    提高網(wǎng)絡(luò)帶寬也可降低沖突的發(fā)生，如把10M的以太網(wǎng)升級(jí)到100M，把半雙工變?yōu)槿p工，都可降低可能的沖突。

    另外，IEEE802.1P工作組研究出一種機(jī)制，為那些對(duì)時(shí)間敏感的數(shù)據(jù)提供更高的傳送優(yōu)先級(jí)，這主要針對(duì)是多點(diǎn)傳送幀的發(fā)送。

    最重要的就是在設(shè)計(jì)以太網(wǎng)時(shí)，遵照設(shè)計(jì)規(guī)則把要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，比如可把它們采集速率，分為快速、一般、慢速，對(duì)網(wǎng)段進(jìn)行合理的劃分，并按工藝和功能對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，確保網(wǎng)絡(luò)負(fù)載小于某個(gè)百分比（如35%），這樣才能確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。