工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)的信息無縫集成，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(shù)，因此它在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中沒有立足之地。例如，在以太網(wǎng)辦公網(wǎng)絡(luò)中，如果無法訪問服務(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)再次可用時進行訪問。另一方面，如果在一定時間內(nèi)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(jié)構(gòu)使用共享網(wǎng)絡(luò)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(luò)上進行傳輸。如果網(wǎng)絡(luò)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(dāng)多個節(jié)點嘗試同時訪問網(wǎng)絡(luò)時，會發(fā)生廣播風(fēng)暴，導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)凍結(jié)。
擁塞的共享以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（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(luò)上進行通信，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(biāo)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(luò)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(luò)，因為時序和可預(yù)測延遲在工業(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公司開發(fā)了以太網(wǎng)交換機。新的交換技術(shù)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(jié)構(gòu)。
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(luò)的設(shè)備中。交換機將構(gòu)建一個表，記錄每個MAC（終端設(shè)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(gòu)建源地址表和目標(biāo)地址表，這實際上是每個用戶所在位置的映射。
產(chǎn)生的點對點網(wǎng)絡(luò)帶來了新的契機。例如，當(dāng)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(zhuǎn)發(fā)給端口3上的用戶D。這一新技術(shù)通過減輕沖突造成的網(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(gòu)仍然沒有足夠的彈性或可預(yù)測性，可用于確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。
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(luò)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(luò)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(luò)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(dá)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(luò)處理更多的關(guān)鍵任務(wù)流量，然后再處理優(yōu)先級較低的流量。802.1p通過允許關(guān)鍵流量/應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)訪問優(yōu)先級較低的流量，進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)上的主機或節(jié)點以及本地多播路由器用來設(shè)置多播組成員身份的協(xié)議。
多播是一對多的體系結(jié)構(gòu)，例如，多播服務(wù)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(yīng)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(wù)和流量類型釋放了網(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(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)交換機還添加了其他功能，例如端口級廣播、多播和單播風(fēng)暴控制。例如，如果個人電腦上的網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）出現(xiàn)故障，開始向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送廣播，交換機檢測到錯誤行為并且關(guān)閉個人電腦所連接的交換機端口，從而保護網(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功能。速率限制允許網(wǎng)絡(luò)管理員為交換機上的每個端口設(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(luò)的穩(wěn)定性。在這種情況下，不堪重負(fù)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(nèi)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(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)。