工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡與控制網(wǎng)絡的信息無縫集成，是當下應用最廣泛的技術之一，深受廣大用戶的歡迎。本文將從以太網(wǎng)和網(wǎng)絡協(xié)議（IP）有關的標準和功能出發(fā)，深度探討發(fā)展歷史，一起來了解一下吧。
背景 | 巨大的網(wǎng)絡鴻溝
在工業(yè)以太網(wǎng)出現(xiàn)之前，辦公室網(wǎng)絡和工業(yè)（工廠、流程）網(wǎng)絡是分開的。
原因是用于制造和流程的網(wǎng)絡必須是確定性的。確定性網(wǎng)絡確保始終在特定時間毫無例外地接收數(shù)據(jù)包或消息。由于以太網(wǎng)是一種不確定性技術，因此它在工業(yè)網(wǎng)絡環(huán)境中沒有立足之地。例如，在以太網(wǎng)辦公網(wǎng)絡中，如果無法訪問服務器上的電子郵件或文件或未到達最終用戶的目的地，則業(yè)務將繼續(xù)進行，最終電子郵件或文件將被保存，當網(wǎng)絡再次可用時進行訪問。另一方面，如果在一定時間內沒有收到發(fā)送給煉油廠流量值的控制信號，則油箱可能會溢出，從而帶來損失。
最初的以太網(wǎng)體系結構使用共享網(wǎng)絡訪問，并使用一種稱為沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）的訪問方法。
這種訪問方法的工作方式是，在終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，它能夠“偵聽”，從而查看在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，是否有其他節(jié)點正在網(wǎng)絡上進行傳輸。如果網(wǎng)絡繁忙，一段時間不會發(fā)送該數(shù)據(jù)包。
如果兩個節(jié)點同時發(fā)送了數(shù)據(jù)包，則會發(fā)生沖突，并且這兩個節(jié)點在等待一段時間后需要重新發(fā)送其數(shù)據(jù)包。
在某些情況下，當多個節(jié)點嘗試同時訪問網(wǎng)絡時，會發(fā)生廣播風暴，導致整個網(wǎng)絡凍結。
擁塞的共享以太網(wǎng)網(wǎng)絡（一個沖突域）
上圖描述了一個典型的共享以太網(wǎng)，其中多個用戶試圖同時在網(wǎng)絡上進行通信，造成沖突和網(wǎng)絡擁塞。
這種共享架構的效率也很低，因為每個連接到以太網(wǎng)的用戶都可以看到從單個終端節(jié)點因為每個連接到以太網(wǎng)的用戶都可以“看到”從單個終端節(jié)點發(fā)送的“尋找”目標節(jié)點的所有請求。這浪費了不必要的帶寬，而且隨著網(wǎng)絡中節(jié)點的增加，情況會變得更糟。
如上所述，以太網(wǎng)最初的啟用是高度不確定的，無法用于工業(yè)網(wǎng)絡，因為時序和可預測延遲在工業(yè)網(wǎng)絡中是至關重要。
改良 | 以太網(wǎng)交換
1990年，位于硅谷的Kalpana公司開發(fā)了以太網(wǎng)交換機。新的交換技術通過使用基于端節(jié)點媒體訪問控制（MAC）地址的地址表，消除了以前的共享體系結構。
媒體訪問控制（MAC）地址是唯一的代碼，被“刻錄”到每個啟用網(wǎng)絡的設備中。交換機將構建一個表，記錄每個MAC（終端設備）位于交換機的哪個端口。在交換機“了解”所有MAC地址端口位置之后，便構建源地址表和目標地址表，這實際上是每個用戶所在位置的映射。
產生的點對點網(wǎng)絡帶來了新的契機。例如，當用戶A想要與用戶D交談時，交換機接收到從用戶A發(fā)送數(shù)據(jù)包的請求，查看地址表，查看到用戶D在端口3上以及將消息轉發(fā)給端口3上的用戶D。這一新技術通過減輕沖突造成的網(wǎng)絡擁塞和數(shù)據(jù)包丟失，比其共享網(wǎng)絡的前身具有更高的效率。
交換式以太網(wǎng)（兩個沖突域）
上圖是具有兩個獨立沖突域的s交換式以太網(wǎng)。這種分割是使用交換機的地址表完成的。該表中，點對點連接消除了沖突。
隨著交換式以太網(wǎng)的出現(xiàn)，全雙工通信成為可能。與之前的半雙工以太網(wǎng)實現(xiàn)方式（一個節(jié)點一次只能發(fā)送或接收數(shù)據(jù)）相比，全雙工允許節(jié)點同時向另一個連接的節(jié)點發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，從而提供無沖突的環(huán)境，并使帶寬容量增加一倍。
通過使用交換式全雙工以太網(wǎng)，可以實現(xiàn)更多的確定性行為，但是這種新架構仍然沒有足夠的彈性或可預測性，可用于確定性工業(yè)網(wǎng)絡。
推進 | 以太網(wǎng)的進一步發(fā)展
隨著交換式以太網(wǎng)的發(fā)展，人們看到需要對網(wǎng)絡進一步分段，以提高性能。
IEEE 802.1Q虛擬局域網(wǎng)或VLAN的引入使定義用戶邏輯組成為可能。這些邏輯用戶組可接收來自該VLAN組中其他用戶的數(shù)據(jù)包，這意味著可以更大程度地利用網(wǎng)絡帶寬并提高效率。
VLAN還增加了一個新的安全層，因為如果不使用第3層路由器，則不同的VLAN不能相互通信，而第3層路由器可以使用網(wǎng)絡管理員定義的特定訪問規(guī)則進行編程。
上圖表示VLAN段，其中只有VLAN，1中的用戶或節(jié)點可以相互通信，這種分段提供了安全性以及流量優(yōu)化。
電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）發(fā)布了802.1Q VLAN和802.1p流量優(yōu)先級方案，該方案定義了多達八個不同的優(yōu)先級級別（0-7），這些優(yōu)先級級別允許通過網(wǎng)絡處理更多的關鍵任務流量，然后再處理優(yōu)先級較低的流量。802.1p通過允許關鍵流量/應用網(wǎng)絡訪問優(yōu)先級較低的流量，進一步縮小了確定性網(wǎng)絡與不確定性網(wǎng)絡之間的差距。
以太網(wǎng)功能的另一項發(fā)展是引入了互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議（IGMP）窺探。互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議（IGMP）窺探是IP網(wǎng)絡上的主機或節(jié)點以及本地多播路由器用來設置多播組成員身份的協(xié)議。
多播是一對多的體系結構，例如，多播服務器通過多播路由器將單個視頻流發(fā)送到幾個不同的節(jié)點。將互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議（IGMP）窺探用于多播應用的好處是，只有“注冊”多播的用戶才能接收到它，從而為其他服務和流量類型釋放了網(wǎng)絡帶寬。
在許多二層工業(yè)以太網(wǎng)交換機上發(fā)現(xiàn)的互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議（IGMP）窺探功能窺探多播路由器和主機之間的通信，以查看哪個主機需要哪個多播流。通過了解哪個主機需要哪個多播流量，交換機可以過濾來自多播路由器的多余多播流量，從而釋放帶寬并消除網(wǎng)絡擁塞。
為防止網(wǎng)絡擁塞并改善網(wǎng)絡性能，以太網(wǎng)交換機還添加了其他功能，例如端口級廣播、多播和單播風暴控制。例如，如果個人電腦上的網(wǎng)絡接口卡（NIC）出現(xiàn)故障，開始向網(wǎng)絡中發(fā)送廣播，交換機檢測到錯誤行為并且關閉個人電腦所連接的交換機端口，從而保護網(wǎng)絡的其余部分免受數(shù)據(jù)包泛濫以及網(wǎng)絡性能降低的影響。
速率限制是有助于維持網(wǎng)絡性能、穩(wěn)定性和有效性的另一個功能。速率限制允許網(wǎng)絡管理員為交換機上的每個端口設置某些數(shù)據(jù)速率。這將確保關鍵服務或設備在網(wǎng)絡上具有比其他非關鍵服務更大的帶寬。
當發(fā)送節(jié)點傳輸流量的速度快于接收交換機或節(jié)點所能接受的速度時，802.3x流控制是另一種方法，該方法可以確保網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。在這種情況下，不堪重負的交換機向發(fā)送節(jié)點發(fā)送一個暫停幀，該暫停幀阻止它在指定的時間內發(fā)送流量，直至接收節(jié)點有足夠的資源來接受來自發(fā)送節(jié)點的傳輸。
在以太網(wǎng)的發(fā)展中，需要考慮的另一個因素是速度的提高。最初，以太網(wǎng)運行速度為10Mbps，之后是100 Mbps。如今，許多交換機都具有每秒1000 Mbps或每秒1 Gbps的速度。此外，用于干線連接或交換機間鏈路連接的10 Mbps每秒接口在今天也很常見。這些較高的數(shù)據(jù)速率的優(yōu)點在于，如果發(fā)生錯誤且需要重發(fā)數(shù)據(jù)包，或者網(wǎng)絡擁塞，重新傳輸?shù)乃俣确浅？欤瑤缀醪淮嬖谘舆t。這種巨大的速度增長使以太網(wǎng)成為一種更確定的體系結構，可用于工業(yè)網(wǎng)絡。