工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)的信息無(wú)縫集成，是當(dāng)下應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，深受廣大用戶的歡迎。本文將從以太網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（IP）有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和功能出發(fā)，深度探討發(fā)展歷史，一起來(lái)了解一下吧。
背景 | 巨大的網(wǎng)絡(luò)鴻溝
在工業(yè)以太網(wǎng)出現(xiàn)之前，辦公室網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)（工廠、流程）網(wǎng)絡(luò)是分開(kāi)的。
原因是用于制造和流程的網(wǎng)絡(luò)必須是確定性的。確定性網(wǎng)絡(luò)確保始終在特定時(shí)間毫無(wú)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(shù)，因此它在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中沒(méi)有立足之地。例如，在以太網(wǎng)辦公網(wǎng)絡(luò)中，如果無(wú)法訪問(wèn)服務(wù)器上的電子郵件或文件或未到達(dá)最終用戶的目的地，則業(yè)務(wù)將繼續(xù)進(jìn)行，最終電子郵件或文件將被保存，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)再次可用時(shí)進(jìn)行訪問(wèn)。另一方面，如果在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到發(fā)送給煉油廠流量值的控制信號(hào)，則油箱可能會(huì)溢出，從而帶來(lái)?yè)p失。
最初的以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)使用共享網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，并使用一種稱為沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA/CD）的訪問(wèn)方法。
這種訪問(wèn)方法的工作方式是，在終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，它能夠“偵聽(tīng)”，從而查看在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，是否有其他節(jié)點(diǎn)正在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸。如果網(wǎng)絡(luò)繁忙，一段時(shí)間不會(huì)發(fā)送該數(shù)據(jù)包。
如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送了數(shù)據(jù)包，則會(huì)發(fā)生沖突，并且這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在等待一段時(shí)間后需要重新發(fā)送其數(shù)據(jù)包。
在某些情況下，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)嘗試同時(shí)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會(huì)發(fā)生廣播風(fēng)暴，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)凍結(jié)。
擁塞的共享以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（一個(gè)沖突域）
上圖描述了一個(gè)典型的共享以太網(wǎng)，其中多個(gè)用戶試圖同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通信，造成沖突和網(wǎng)絡(luò)擁塞。
這種共享架構(gòu)的效率也很低，因?yàn)槊總€(gè)連接到以太網(wǎng)的用戶都可以看到從單個(gè)終端節(jié)點(diǎn)因?yàn)槊總€(gè)連接到以太網(wǎng)的用戶都可以“看到”從單個(gè)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的“尋找”目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的所有請(qǐng)求。這浪費(fèi)了不必要的帶寬，而且隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的增加，情況會(huì)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(wú)法用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)闀r(shí)序和可預(yù)測(cè)延遲在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中是至關(guān)重要。
改良 | 以太網(wǎng)交換
1990年，位于硅谷的Kalpana公司開(kāi)發(fā)了以太網(wǎng)交換機(jī)。新的交換技術(shù)通過(guò)使用基于端節(jié)點(diǎn)媒體訪問(wèn)控制（MAC）地址的地址表，消除了以前的共享體系結(jié)構(gòu)。
媒體訪問(wèn)控制（MAC）地址是唯一的代碼，被“刻錄”到每個(gè)啟用網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備中。交換機(jī)將構(gòu)建一個(gè)表，記錄每個(gè)MAC（終端設(shè)備）位于交換機(jī)的哪個(gè)端口。在交換機(jī)“了解”所有MAC地址端口位置之后，便構(gòu)建源地址表和目標(biāo)地址表，這實(shí)際上是每個(gè)用戶所在位置的映射。
產(chǎn)生的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了新的契機(jī)。例如，當(dāng)用戶A想要與用戶D交談時(shí)，交換機(jī)接收到從用戶A發(fā)送數(shù)據(jù)包的請(qǐng)求，查看地址表，查看到用戶D在端口3上以及將消息轉(zhuǎn)發(fā)給端口3上的用戶D。這一新技術(shù)通過(guò)減輕沖突造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞和數(shù)據(jù)包丟失，比其共享網(wǎng)絡(luò)的前身具有更高的效率。
交換式以太網(wǎng)（兩個(gè)沖突域）
上圖是具有兩個(gè)獨(dú)立沖突域的s交換式以太網(wǎng)。這種分割是使用交換機(jī)的地址表完成的。該表中，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)方式（一個(gè)節(jié)點(diǎn)一次只能發(fā)送或接收數(shù)據(jù)）相比，全雙工允許節(jié)點(diǎn)同時(shí)向另一個(gè)連接的節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，從而提供無(wú)沖突的環(huán)境，并使帶寬容量增加一倍。
通過(guò)使用交換式全雙工以太網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)更多的確定性行為，但是這種新架構(gòu)仍然沒(méi)有足夠的彈性或可預(yù)測(cè)性，可用于確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。
推進(jìn) | 以太網(wǎng)的進(jìn)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(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(lái)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(luò)帶寬并提高效率。
VLAN還增加了一個(gè)新的安全層，因?yàn)槿绻皇褂玫?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(luò)管理員定義的特定訪問(wèn)規(guī)則進(jìn)行編程。
上圖表示VLAN段，其中只有VLAN，1中的用戶或節(jié)點(diǎn)可以相互通信，這種分段提供了安全性以及流量?jī)?yōu)化。
電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）發(fā)布了802.1Q VLAN和802.1p流量?jī)?yōu)先級(jí)方案，該方案定義了多達(dá)八個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)級(jí)別（0-7），這些優(yōu)先級(jí)級(jí)別允許通過(guò)網(wǎng)絡(luò)處理更多的關(guān)鍵任務(wù)流量，然后再處理優(yōu)先級(jí)較低的流量。802.1p通過(guò)允許關(guān)鍵流量/應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)較低的流量，進(jìn)一步縮小了確定性網(wǎng)絡(luò)與不確定性網(wǎng)絡(luò)之間的差距。
以太網(wǎng)功能的另一項(xiàng)發(fā)展是引入了互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議（IGMP）窺探?；ヂ?lián)網(wǎng)組管理協(xié)議（IGMP）窺探是IP網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)或節(jié)點(diǎn)以及本地多播路由器用來(lái)設(shè)置多播組成員身份的協(xié)議。
多播是一對(duì)多的體系結(jié)構(gòu)，例如，多播服務(wù)器通過(guò)多播路由器將單個(gè)視頻流發(fā)送到幾個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)。將互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議（IGMP）窺探用于多播應(yīng)用的好處是，只有“注冊(cè)”多播的用戶才能接收到它，從而為其他服務(wù)和流量類(lèi)型釋放了網(wǎng)絡(luò)帶寬。
在許多二層工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)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(jī)之間的通信，以查看哪個(gè)主機(jī)需要哪個(gè)多播流。通過(guò)了解哪個(gè)主機(jī)需要哪個(gè)多播流量，交換機(jī)可以過(guò)濾來(lái)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(luò)擁塞。
為防止網(wǎng)絡(luò)擁塞并改善網(wǎng)絡(luò)性能，以太網(wǎng)交換機(jī)還添加了其他功能，例如端口級(jí)廣播、多播和單播風(fēng)暴控制。例如，如果個(gè)人電腦上的網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）出現(xiàn)故障，開(kāi)始向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送廣播，交換機(jī)檢測(cè)到錯(cuò)誤行為并且關(guān)閉個(gè)人電腦所連接的交換機(jī)端口，從而保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的其余部分免受數(shù)據(jù)包泛濫以及網(wǎng)絡(luò)性能降低的影響。
速率限制是有助于維持網(wǎng)絡(luò)性能、穩(wěn)定性和有效性的另一個(gè)功能。速率限制允許網(wǎng)絡(luò)管理員為交換機(jī)上的每個(gè)端口設(shè)置某些數(shù)據(jù)速率。這將確保關(guān)鍵服務(wù)或設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)上具有比其他非關(guān)鍵服務(wù)更大的帶寬。
當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳輸流量的速度快于接收交換機(jī)或節(jié)點(diǎn)所能接受的速度時(shí)，802.3x流控制是另一種方法，該方法可以確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。在這種情況下，不堪重負(fù)的交換機(jī)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)暫停幀，該暫停幀阻止它在指定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送流量，直至接收節(jié)點(diǎn)有足夠的資源來(lái)接受來(lái)自發(fā)送節(jié)點(diǎn)的傳輸。
在以太網(wǎng)的發(fā)展中，需要考慮的另一個(gè)因素是速度的提高。最初，以太網(wǎng)運(yùn)行速度為10Mbps，之后是100 Mbps。如今，許多交換機(jī)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(jī)間鏈路連接的10 Mbps每秒接口在今天也很常見(jiàn)。這些較高的數(shù)據(jù)速率的優(yōu)點(diǎn)在于，如果發(fā)生錯(cuò)誤且需要重發(fā)數(shù)據(jù)包，或者網(wǎng)絡(luò)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(zhǎng)使以太網(wǎng)成為一種更確定的體系結(jié)構(gòu)，可用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。