以太网的解释

一目了然 以太网的起源 以太网术语 基本组件 工业应用

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以太网诞生于1973年，当时施乐公司的鲍勃·梅特卡夫在一张餐巾纸上描绘了基本概念，现在保存在施乐公司的帕洛阿尔托研究中心。最初设计用于办公室间通信，以太网的性能和应用在最近几年有了很大的扩展。

最初的标准运行速度为2.94 Mbps(兆比特每秒)。在施乐与英特尔和Digital Equipment合作开发DIX 2.0标准后，以太网通过粗同轴电缆以10mbps的速度运行。在同一时期，电气和电子工程师协会(IEEE)开始研究目前的以太网标准CSMA/CD 802.3。1983年，该小组完成了工作，并采用了该标准。

最近，以太网已经迁移到工厂车间，其中有100多个协议可用于在各种工业计算平台之间交换数据——从智能传感器到全厂监控系统。以太网的流行部分归功于它的寿命。它已经存在了30年，是可用的最常见的网络协议，工程师们都很熟悉它。它是一个全球标准，软件丰富，低成本的以太网产品广泛可用。

以太网还提供了一些技术优势。它的速度很快，其广泛的纠错机制赋予它相当的健壮性，即使在恶劣的操作环境。它还通过可用的加密机制提供了相当好的安全性。

标准

那么，以太网如何在保持所有连接到网络的设备互不干扰的情况下，最大限度地通过共享介质传输数据呢?这一切都依赖于IEEE的载波感知、多址访问和碰撞检测标准，该标准规定了数据包何时以及如何由一台设备传输和由另一台设备接收。

载波监听描述连接到网络的设备检查另一个设备是否已经在通信的机制。多路访问意味着只要没有其他设备在传输，所有设备都可以访问网络进行通信。碰撞检测确保当多个设备同时传输时，碰撞被检测到，损坏的以太网数据包被丢弃。然后，设备等待不同的时间间隔重新发送。

但是，简单地将比特从一个设备传输到另一个设备还不足以建立可理解的通信。所有这些信息必须以分层的方式组织起来，就像字母必须组织成单词，单词组织成句子，句子组织成段落一样，以传达书面信息。

基于以太网的通信协议通常根据开放系统互连(OSI)参考模型来实现，有时也称为“七层模型”(见图表)。该模型定义了发送设备必须做什么来打包消息以进行传输，以及接收设备必须做什么来解包传输以重新创建原始消息。

网络设备

大多数网络的通用组件是集线器、交换机、网关和路由器。以太网只允许在电缆段的每一端有一个发送方和一个接收方。中心允许网络分支并包含更多的设备。集线器用于设备的添加、以太网报文的再生和网络距离的扩展。集线器接收到的以太网包被广播到它的所有端口，同时且不加区别。

开关过滤和重新生成以太网数据包，以允许更大的网络距离和更多的设备连接。大多数交换机在数据链路层划分网络冲突域通过只向期望的目的地发送数据。

以太网最初的想法(1973年)是鲍勃·梅特卡夫(Bob Metcalfe)画在餐巾上的，它展示了如何通过电缆、电话线和无线电信号组成的网络传输和接收数据，其中一些可以由多个设备共享。资料来源:帕洛阿尔托研究中心

每个交换机都有一个地址表，列出了每个连接设备的地址。当收到数据包时，交换机将其存储并与地址表进行比较，然后将其转发到正确的端口。这限制了其他端口上的流量。

管理交换机开发的目的是让网络管理员控制网络通信。在诊断端口上监控和镜像网络流量模式，以排除问题并确定数据包类型。每个端口可以以半双工或全双工方式启用或禁用，可以设置通信速度，并建立流量控制方法。

一个网关是一种连接两个或多个不同网络的设备。它可以从OSI模型的物理层转换到应用层的所有协议级别，因此，它可以互连在所有细节上不同的实体。

路由器通过IP地址对网络流量进行过滤，将网络划分为多个子网。当网络在逻辑上而不是物理上划分时(就像交换机一样)，只有指定给适当设备的IP地址才能通过。如果报文去往直接段，报文将被转发。如果它的目的地是不同的网段或路由器，它将被标记上适当的信息并发送出去。路由发生在网络层。

路由器的另一个好处是它能够阻止广播和损坏的数据包，这大大减少了子网上的网络流量。

工业以太网

为工业应用开发的以太网遵循与用于局间通信的商业以太网相同的结构，并且使用相同的OSI模型。然而，两者在所使用设备的坚固性上有所不同。

轻工业以太网产品适用于比办公室更恶劣的环境。它们的特点是安装硬件，使组件在标准工业外壳中物理安全，以及广泛的电源输入选项，消除了昂贵的壁挂式变压器。冗余电源增加了保护，工作温度额定值为0-60 8C，防止过早故障。

轻工业以太网产品的常见认证包括Class 1, Div. 2，冲击，自由落体和振动评级。电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI)测试最大限度地减少来自焊工和无线电设备的数据损坏。

对于重工业环境，以太网产品必须经过加固，并且非常坚固。在许多情况下，它们被安装在室外或工厂地板上。它们必须能够承受电涌、超宽的温度范围(- 408c至808c)、高湿度、不稳定的电源以及暴露在化学品和腐蚀性材料中。

在这些应用中，爆炸性的环境、与液体的接触和辐射也威胁着设备和人员的安全。这就需要在外壳设计上有更多的限制。高水平的EMI/RFI可能需要铜笼结构。重工业环境中的极端冲击和振动要求密切关注机械完整性和冲击测试。

电缆

无论是在办公室还是在工厂车间，以太网都使用支持多产品、多供应商环境的结构化布线系统。由电子工业联盟和电信工业协会制定的结构电缆的EIA/TIA-568标准规定了诸如最大允许的水平铜线长度(90米)、最大跳线长度(5米)和最小铜线弯曲半径(电缆直径的4倍)等细节。

其他标准适用于在工业环境中运行的网络，包括目前由EIA/TIA定义的新连接器类型。它的核心包含熟悉的8针模块化插头和连接器。

七层模型

层	函数	网络硬件	协议
应用程序(第7层)	为用户提供服务	大多数网关都在这一层运行	支持应用程序和用户认证;为电子邮件、网络软件、telnet、FTP应用提供服务;包含用户想要发送的实际信息
表示(第6层)	将数据转换成所需的形式显示在PC上;在两种不同的格式之间转换。
会话(第5层)	允许应用程序通过网络进行通信	网关	NetBIOS
传输(第4层)	一旦通信路径建立，数据的端到端控制		Tcp, udp, arp, rarp
网络(三层)	路由消息，控制设备之间的数据流	路由器，三层交换机	IP, ARP;RARP, ICMP;撕裂;OSFP, IGMP
数据链(第二层)	建立跨物理层传输数据的协议或规则逻辑链路控制媒体访问控制	以太网交换机，网桥，网络接口卡	MAC地址
物理(第一层)	电缆、连接器、发射机、接收机	中心

工业以太网组织包括:
www.ethercat.org	www.ethernet-powerlink.org	www.fieldbus.org
www.iaona.org	www.modbus-ida.org	www.odva.org
www.profibus.org	www.sercos.org

作者信息

Vance VanDoren是《控制工程》的咨询编辑，

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