5分钟掌握“工业以太网”的前世今生

工业以太网，实现办公自动化网络与控制网络的信息无缝集成，是当下应用最广泛的技术之一，深受广大用户的欢迎。本文将从以太网和网络协议（IP）有关的标准和功能出发，深度探讨发展历史，一起来了解一下吧。

背景 | 巨大的网络鸿沟

在工业以太网出现之前，办公室网络和工业（工厂、流程）网络是分开的。

原因是用于制造和流程的网络必须是确定性的。确定性网络确保始终在特定时间毫无例外地接收数据包或消息。由于以太网是一种不确定性技术，因此它在工业网络环境中没有立足之地。例如，在以太网办公网络中，如果无法访问服务器上的电子邮件或文件或未到达最终用户的目的地，则业务将继续进行，最终电子邮件或文件将被保存，当网络再次可用时进行访问。另一方面，如果在一定时间内没有收到发送给炼油厂流量值的控制信号，则油箱可能会溢出，从而带来损失。

最初的以太网体系结构使用共享网络访问，并使用一种称为冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）的访问方法。

这种访问方法的工作方式是，在终端节点发送数据包之前，它能够“侦听”，从而查看在发送数据包之前，是否有其他节点正在网络上进行传输。如果网络繁忙，一段时间不会发送该数据包。

如果两个节点同时发送了数据包，则会发生冲突，并且这两个节点在等待一段时间后需要重新发送其数据包。

在某些情况下，当多个节点尝试同时访问网络时，会发生广播风暴，导致整个网络冻结。

拥塞的共享以太网网络（一个冲突域）

上图描述了一个典型的共享以太网，其中多个用户试图同时在网络上进行通信，造成冲突和网络拥塞。

这种共享架构的效率也很低，因为每个连接到以太网的用户都可以看到从单个终端节点因为每个连接到以太网的用户都可以“看到”从单个终端节点发送的“寻找”目标节点的所有请求。这浪费了不必要的带宽，而且随着网络中节点的增加，情况会变得更糟。

如上所述，以太网最初的启用是高度不确定的，无法用于工业网络，因为时序和可预测延迟在工业网络中是至关重要。

改良 | 以太网交换

1990年，位于硅谷的Kalpana公司开发了以太网交换机。新的交换技术通过使用基于端节点媒体访问控制（MAC）地址的地址表，消除了以前的共享体系结构。

媒体访问控制（MAC）地址是唯一的代码，被“刻录”到每个启用网络的设备中。交换机将构建一个表，记录每个MAC（终端设备）位于交换机的哪个端口。在交换机“了解”所有MAC地址端口位置之后，便构建源地址表和目标地址表，这实际上是每个用户所在位置的映射。

产生的点对点网络带来了新的契机。例如，当用户A想要与用户D交谈时，交换机接收到从用户A发送数据包的请求，查看地址表，查看到用户D在端口3上以及将消息转发给端口3上的用户D。这一新技术通过减轻冲突造成的网络拥塞和数据包丢失，比其共享网络的前身具有更高的效率。

交换式以太网（两个冲突域）

上图是具有两个独立冲突域的s交换式以太网。这种分割是使用交换机的地址表完成的。该表中，点对点连接消除了冲突。

随着交换式以太网的出现，全双工通信成为可能。与之前的半双工以太网实现方式（一个节点一次只能发送或接收数据）相比，全双工允许节点同时向另一个连接的节点发送和接收数据，从而提供无冲突的环境，并使带宽容量增加一倍。

通过使用交换式全双工以太网，可以实现更多的确定性行为，但是这种新架构仍然没有足够的弹性或可预测性，可用于确定性工业网络。

推进 | 以太网的进一步发展

随着交换式以太网的发展，人们看到需要对网络进一步分段，以提高性能。

IEEE 802.1Q虚拟局域网或VLAN的引入使定义用户逻辑组成为可能。这些逻辑用户组可接收来自该VLAN组中其他用户的数据包，这意味着可以更大程度地利用网络带宽并提高效率。

VLAN还增加了一个新的安全层，因为如果不使用第3层路由器，则不同的VLAN不能相互通信，而第3层路由器可以使用网络管理员定义的特定访问规则进行编程。

上图表示VLAN段，其中只有VLAN，1中的用户或节点可以相互通信，这种分段提供了安全性以及流量优化。

电气和电子工程师协会（IEEE）发布了802.1Q VLAN和802.1p流量优先级方案，该方案定义了多达八个不同的优先级级别（0-7），这些优先级级别允许通过网络处理更多的关键任务流量，然后再处理优先级较低的流量。802.1p通过允许关键流量/应用网络访问优先级较低的流量，进一步缩小了确定性网络与不确定性网络之间的差距。

以太网功能的另一项发展是引入了互联网组管理协议（IGMP）窥探。互联网组管理协议（IGMP）窥探是IP网络上的主机或节点以及本地多播路由器用来设置多播组成员身份的协议。

多播是一对多的体系结构，例如，多播服务器通过多播路由器将单个视频流发送到几个不同的节点。将互联网组管理协议（IGMP）窥探用于多播应用的好处是，只有“注册”多播的用户才能接收到它，从而为其他服务和流量类型释放了网络带宽。

在许多二层工业以太网交换机上发现的互联网组管理协议（IGMP）窥探功能窥探多播路由器和主机之间的通信，以查看哪个主机需要哪个多播流。通过了解哪个主机需要哪个多播流量，交换机可以过滤来自多播路由器的多余多播流量，从而释放带宽并消除网络拥塞。

为防止网络拥塞并改善网络性能，以太网交换机还添加了其他功能，例如端口级广播、多播和单播风暴控制。例如，如果个人电脑上的网络接口卡（NIC）出现故障，开始向网络中发送广播，交换机检测到错误行为并且关闭个人电脑所连接的交换机端口，从而保护网络的其余部分免受数据包泛滥以及网络性能降低的影响。

速率限制是有助于维持网络性能、稳定性和有效性的另一个功能。速率限制允许网络管理员为交换机上的每个端口设置某些数据速率。这将确保关键服务或设备在网络上具有比其他非关键服务更大的带宽。

当发送节点传输流量的速度快于接收交换机或节点所能接受的速度时，802.3x流控制是另一种方法，该方法可以确保网络的稳定性。在这种情况下，不堪重负的交换机向发送节点发送一个暂停帧，该暂停帧阻止它在指定的时间内发送流量，直至接收节点有足够的资源来接受来自发送节点的传输。

在以太网的发展中，需要考虑的另一个因素是速度的提高。最初，以太网运行速度为10Mbps，之后是100 Mbps。如今，许多交换机都具有每秒1000 Mbps或每秒1 Gbps的速度。此外，用于干线连接或交换机间链路连接的10 Mbps每秒接口在今天也很常见。这些较高的数据速率的优点在于，如果发生错误且需要重发数据包，或者网络拥塞，重新传输的速度非常快，几乎不存在延迟。这种巨大的速度增长使以太网成为一种更确定的体系结构，可用于工业网络。