基本介绍
起源于Xerox公司的一个实验网，该实验网络的目的是把几台个人计算机以3M的速率连接起来。由于该实验网络的突出表现，DEC，Intel，Xerox三家公司最终在1980年发布了第一个以太网协议标准建议书。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测技术）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802·3系列标准相类似。
以太网不是一种具体的网络，是一种技术规范。以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以10~100Mbps的速率传送信息包，双绞线电缆10 Base T以太网由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成为应用最为广泛的以太网技术。直扩的无线以太网可达11Mbps，许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性最好。
目前在工业自动化控制网络的控制层和现场设备层，现场总线是最主要的通信方式。随着工业自动化控制的深化和广化，统一通信标准成为公认的发展方向，工业以太网技术将成为现场总线技术的重要替代。以太网以其高度灵活，相对简单，易于实现的特点，成为当今最重要的一种局域网建网技术。虽然其它网络技术也曾经被认为可以取代以太网的地位，但是绝大多数的网络管理人员仍然把将以太网作为首选的网络解决方案。
（1）工业控制网络的发展需求
首先，随着工业现场设备的智能化以及控制方式由单点控制走向协同系统控制，现场设备之间需要进行实时、快速的通信，传输数据的带宽也相应由窄带转向宽带。
其次，工业控制系统由工厂自动化发展到城市公共事业自动化（如城市地铁控制系统、城市智能配电系统等），再发展到广域控制系统（如特高压智能电网控制系统、高速铁路智能控制系统等），工业控制系统日趋分散。
最后，在工业控制的上层，需要集成生产计划和控制、质量管理、跟踪能力、维护系统等功能，希望从现场设备到本地操作站、管理层的整个控制网络实现透明一体化以提高生产率，更快地评估、控制系统的每一部分，从而实现高效、实时、透明的远程运营和管理。
综上，工业控制网络正朝着宽带、实时、透明、双向、互操作的方向发展，这就需要工业控制网络具备标准化、归一化的技术特点，以实现管理层、控制层和现场设备层更好的互连、互通和互操作。
（2）现场总线技术的不足
现场总线技术尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。其中具有较强实力和影响力的现场总线技术包括Foundation Fieldbus、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline 等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势，但互不兼容，这一现状一定程度上阻碍了全球工业信息化的进程。现场总线技术的主要不足之处在于：
①管理层与控制层及现场设备层采用不同的通信协议，上下层之间通过上位机连接，无法直接通信，管理层不能直接访问控制区域的设备；
②由于国际标准推出缓慢，各类现场总线采用不同的技术，相互之间缺乏互连性和互操作性，不能实现透明连接；
③传输速率不高，缺乏对其它应用如语音、图像数据的支持能力；
④由于现场总线是专用实时通信网络，成本较高。
（3）工业以太网技术的优势
工业以太网能够提供现场总线无法提供的如下技术特性：
①将工业控制系统与办公信息化系统融合，形成一体化的透明网络；
②更宽的带宽和更大的数据包以满足越来越多的智能自动化设备的通信；
③更快速的同步实时通信以满足运动控制应用的需求；
④在更大范围内连接更多的设备并为之设置地址；
⑤主要使用以太网构造同质网络；
⑥提供新功能如制造执行系统MES、在线升级固件、远程组态及故障处理；
⑦集成现有的现场总线系统；
⑧实现更好的互操作性；
⑨可以使用标准化、低成本的以太网设备，如交换机、线缆、集线器等。
工业以太网可以构建互连、互通，以及具有更好互操作性的透明一体化工业控制网络，实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络，实现管理层、控制层到现场设备层之间工业通信的“e 网到底”
历史
以太网技术的最初进展来自于施乐帕洛阿尔托研究中心的许多先锋技术项目中的一个。人们通常认为以太网发明于1973年，当年鲍勃.梅特卡夫(Bob Metcalfe)给他PARC的老板写了一篇有关以太网潜力的备忘录。但是梅特卡夫本人认为以太网是之后几年才出现的。在1976年，梅特卡夫和他的助手David Boggs发表了一篇名为《以太网：局域计算机网络的分布式包交换技术》的文章。
1979年，梅特卡夫为了开发个人电脑和局域网离开了施乐(Xerox)，成立了3Com公司。3Com对DEC、英特尔和施乐进行游说，希望与他们一起将以太网标准化、规范化。这个通用的以太网标准于1980年9月30日出台。当时业界有两个流行的非公有网络标准令牌环网和ARCNET，在以太网大潮的冲击下他们很快萎缩并被取代。而在此过程中，3Com也成了一个国际化的大公司。
梅特卡夫曾经开玩笑说，Jerry Saltzer为3Com的成功作出了贡献。Saltzer在一篇与他人合着的很有影响力的论文中指出，在理论上令牌环网要比以太网优越。受到此结论的影响，很多电脑厂商或犹豫不决或决定不把以太网接口做为机器的标准配置，这样3Com才有机会从销售以太网网卡大赚。这种情况也导致了另一种说法“以太网不适合在理论中研究，只适合在实际中应用”。也许只是句玩笑话，但这说明了这样一个技术观点：通常情况下，网络中实际的数据流特性与人们在局域网普及之前的估计不同，而正是因为以太网简单的结构才使局域网得以普及。梅特卡夫和Saltzer曾经在麻省理工学院MAC项目(Project MAC)的同一层楼里工作，当时他正在做自己的哈佛大学毕业论文，在此期间奠定了以太网技术的理论基础。
概述
以太网基于网络上无线电系统多个节点发送信息的想法实现，每个节点必须取得电缆或者信道的才能传送信息，有时也叫作以太（Ether）。(这个名字来源于19世纪的物理学家假设的电磁辐射媒体-光以太。后来的研究证明光以太不存在。) 每一个节点有全球唯一的48位地址也就是制造商分配给网卡的MAC地址,以保证以太网上所有系统能互相鉴别。由于以太网十分普遍，许多制造商把以太网卡直接集成进计算机主板。已经发现以太网通讯具有自相关性的特点,这对于电信通讯工程十分重要的。
集线器
在以太网技术的发展中，以太网集线器(Ethernet Hub)的出现使得网络更加可靠，接线更加方便。因为信号的衰减和延时，根据不同的介质以太网段有距离限制。例如，10BASE5同轴电缆最长距离500米(1,640英尺)。最大距离可以通过以太网中继器实现，中继器可以把电缆中的信号放大再传送到下一段。中继器最多连接5个网段，但是只能有4个设备（即一个网段最多可以接4个中继器）。这可以减轻因为电缆断裂造成的问题：当一段同轴电缆断开，所有这个段上的设备就无法通讯，中继器可以保证其他网段正常工作。
类似于其他的高速总线，以太网网段必须在两头以电阻器作为终端。对于同轴电缆，电缆两头的终端必须接上被称作“终端器”的50欧姆的电阻和散热器，and affixed to a male M or BNC connector.如果不这么做，就会发生类似电缆断掉的情况：总线上的AC信号当到达终端时将被反射，而不能消散。被反射的信号将被认为是冲突，从而使通信无法继续。中继器可以将连在其上的两个网段进行电气隔离，增强和同步信号。大多数中继器都有被称作“自动隔离”的功能，可以把有太多冲突或是冲突持续时间太长的网段隔离开来，这样其他的网段不会受到损坏部分的影响。中继器在检测到冲突消失后可以恢复网段的连接。
随着应用的拓展，人们逐渐发现星型的网络拓扑结构最为有效，于是设备厂商们开始研制有多个端口的中继器。多端口中继器就是众所周知的集线器(Hub)。集线器可以连接到其他的集线器或者同轴网络。
第一个集线器被认为是“多端口收发器”或者叫做“fanouts”。最著名的例子是DEC的DELNI，它可以使许多台具有AUI连接器的主机共用一个收发器。集线器也导致了不使用同轴电缆的小型独立以太网网段的出现。像DEC和SynOptics这样的网络设备制造商曾经出售过用于连接许多10BASE-2细同轴线网段的集线器。
非屏蔽双绞线( unshielded twisted-pair cables , UTP )最先应用在星型局域网中,之后在10BASE-T中也得到应用，并最终代替了同轴电缆成为以太网的标准。这项改进之后，RJ45电话接口代替了 AUI 成为电脑和集线器的标准界口，非屏蔽3类双绞线/5类双绞线成为标准载体。集线器的应用使某条电缆或某个设备的故障不会影响到整个网络，提高了以太网的可靠性。双绞线以太网把每一个网段点对点地连起来，这样终端就可以做成一个标准的硬件，解决了以太网的终端问题。
采用集线器组网的以太网尽管在物理上是星型结构，但在逻辑上仍然是总线型的，半双工的通信方式采用CSMA/CD的冲突检测方法，集线器对于减少包冲突的作用很小。每一个数据包都被发送到集线器的每一个端口，所以带宽和安全问题仍没有解决。集线器的总吞吐量受到单个连接速度的限制( 10或100 Mbit/s )，这还是考虑在前同步码、帧间隔、头部、尾部和打包上花销最少的情况。当网络负载过重时，冲突也常常会降低总吞吐量。最坏的情况是，当许多用长电缆组网的主机传送很多非常短的帧时，网络的负载仅达到50%就会因为冲突而降低集线器的吞吐量。为了在冲突严重降低吞吐量之前尽量提高网络的负载，通常会进行一些设置工作。
桥接交换
尽管中继器在某些方面隔离了以太网网段，电缆断线的故障不会影响到整个网络，但它向所有的以太网设备转发所有的数据。这严重限制了同一个以太网网络上可以相互通信的机器数量。为了减轻这个问题，桥接方法被采用，在工作在物理层的中继器之基础上，桥接工作在数据链路层。通过网桥时，只有格式完整的数据包才能从一个网段进入另一个网段；冲突和数据包错误则都被隔离。通过记录分析网络上设备的MAC地址，网桥可以判断它们都在什么位置，这样它就不会向非目标设备所在的网段传递数据包。象生成树协议这样的控制机制可以协调多个交换机共同工作。
早期的网桥要检测每一个数据包，这样，特别是同时处理多个端口的时候，数据转发相对Hub（中继器）来说要慢。1989年网络公司Kalpana发明了EtherSwitch，第一台以太网交换机。以太网交换机把桥接功能用硬件实现，这样就能保证转发数据速率达到线速。
大多数现代以太网用以太网交换机代替Hub。尽管布线同Hub以太网是一样的，但是交换式以太网比共享介质以太网有很多明显的优势，例如更大的带宽和更好的结局隔离异常设备。交换网络典型的使用星型拓扑,尽管设备工作在半双工模式是仍然是共享介质的多结点网。10BASE-T和以后的标准是全双工以太网，不再是共享介质系统。
交换机加电后，首先也像Hub那样工作，转发所有数据到所有端口。接下来，当它学习到每个端口的地址以后，他就只把非广播数据发送给特定的目的端口。这样，线速以太网交换就可以在任何端口对之间实现，所有端口对之间的通讯互不干扰。
因为数据包一般只是发送到他的目的端口，所以交换式以太网上的流量要略微小于共享介质式以太网。尽管如此，交换式以太网依然是不安全的网络技术，因为它还很容易因为ARP欺骗或者MAC满溢而瘫痪，同时网络管理员也可以利用监控功能抓取网络数据包。
当只有简单设备(除Hub之外的设备)接入交换机端口，那么整个网络可能工作在全双工方式。如果一个网段只有2个设备，那么冲突探测也不需要了，两个设备可以随时收发数据。总的带宽就是链路的2倍(尽管带宽每个方向上是一样的)，但是没有冲突发生就意味着允许几乎100%的使用链路带宽。
交换机端口和所连接的设备必须使用相同的双工设置。多数100BASE-TX和1000BASE-T设备支持自动协商特性，即这些设备通过信号来协调要使用的速率和双工设置。然而，如果自动协商被禁用或者设备不支持，则双工设置必须通过自动检测进行设置或在交换机端口和设备上都进行手工设置以避免双工错配——这是以太网问题的一种常见原因(设备被设置为半双工会报告迟发冲突，而设备被设为全双工则会报告runt)。
许多低端交换机没有手工进行速率和双工设置的能力，因此端口总是会尝试进行自动协商。当启用了自动协商但不成功时(例如其他设备不支持)，自动协商会将端口设置为半双工。速率是可以自动感测的，因此将一个10BASE-T设备连接到一个启用了自动协商的10/100交换端口上时将可以成功地建立一个半双工的10BASE-T连接。但是将一个配置为全双工100Mb工作的设备连接到一个配置为自动协商的交换端口时(反之亦然)则会导致双工错配。
即使电缆两端都设置成自动速率和双工模式协商，错误猜测还是经常发生而退到10Mbps模式。因此，如果性能差于预期，应该查看一下是否有计算机设置成10Mbps模式了，如果已知另一端配置为100Mbit，则可以手动强制设置成正确模式。.
当两个节点试图用超过电缆最高支持数据速率（例如在3类线上使用100Mbps或者3类/5类线使用1000Mbps）通信时就会发生问题。不像ADSL或者传统的拨号Modem通过详细的方法检测链路的最高支持数据速率，以太网节点只是简单的选择两端支持的最高速率而不管中间线路。因此如果过高的速率导致电缆不可靠就会导致链路失效。解决方案只有强制通讯端降低到电缆支持的速率。
快速发展
工业以太网就是人体的神经系统，它能敏感地将各种信息反馈给指挥者，也是传输指令的重要通道。
在现代化工厂中，工业以太网的使用已十分广泛。而在现代工业全面迈向信息化的今天，更多的用户利用工业以太网进行信息传输，完成更加集成的工业自动化和信息化解决方案，现代工业也在工业以太网的推动下朝着更加智能化的方向发展。
工业以太网的迅速普及为工业的发展注入了一股新鲜的活力。但如何选择并使用好工业以太网，却是一门很大的学问。由于工业环境的特殊性，选择工业以太网要从多方面去考虑，以太网通信协议、通信速率、安装方式、散热问题及周边的工业环境，都对工业以太网的使用有非常大的影响。此外，还要考虑以太网的安全性、实时性及冗余等，需要设计工程师了解工业环境、生产流程及工业控制纺织等多方面因素。
当然，随着西门子、罗克韦尔，以及倍福等一大批自动化公司的推广，已经有越来越多的自动化工程师加深了对工业以太网的了解，加大了工业以太网在工业现场实施的可能。
要了解以太网，必须要深入了解整个制造企业的需求。随着以太网技术的进步，未来的工业网络必然是集高速度、高带宽于一体的网络，便于生产控制与规划，可以对生产、物流、质量控制及产品追踪于一身。
工业以太网的技术基础及应用方式多是基于商用以太网发展而来的，在全球主导的有线网络将数据传输技术的基础上，根据工业领域的特点要求，采用以太网通信协议作为基本技术发展而生。工业以太网市场需求十分广泛，无论是新建一条现代化的制造生产线，还是对旧有设备的改造，都会大量使用工业以太网。工业以太网的市场增长率也始终居高不下，据有关统计，每年新增工业网络接口数量都将会是前一年的一倍左右。而随着工业以太网技术延展而带动的PLC、DCS及PC_Based等控制类产品的市场容量，更是难以计算。
与普通的以太网相比，工业以太网需要解决开放性、实时性、同步性、可靠性、抗干扰性及安全性等诸多方面的问题，这也是工业自动化厂商不同于普通IT厂商能为工业用户带去更大价值的地方。
在工业上，起初的工业以太网更多地被应用于管理层和控制层。随着通信网络技术的发展，更多的以太网功能技术得以提高，使得工业以太网的应用范围更为广阔。如在实时性方面，由于以太网的信息通讯采用的是信息顺序传输的方式，这种方式当通路拥挤的时候，就会造成一定的通路堵塞。这在对现场通讯实时性要求非常高的地方是不能满足要求的。
现在在工业中，通常会采用专用的工业以太网交换机，定义不同的太网帧优先等级，让用户所希望的信息能够以最快的速度传递出去。随着实时性与同步性的解决，在纺织与汽车制造等多个领域应用中，运动控制中已经有许多人采用实时以太网。
另外，包括profinet、EtherNet/IP及EtherCAT等以太网通讯协议都已经开始或实现了安全协议。相信随着安全协议的采用，工业以太网会得到更多的应用。
此外，商用以太网中的无线技术也为以太网的工业应用提供了更多的可能。无线网络技术具有移动灵活、易于安装及成本低廉等优点，尤其是随着3G技术的成功应用，更加证明了无线网络技术的成熟，使得无线技术在工业环境中的应用变得更加现实。
在以太网逐步由工厂信息层向下延伸至控制层、执行层的今天，工业以太网的应用趋势不言而喻。随着信息化的进步，工业以太网更担负着贯穿整个工业网络的任务，为生产制造实现更高度的集成、高效发挥着重要作用，实现一网到底不单单是工业以太网厂商的责任，更是工业自动化发展的未来。
现状趋势
随着时间的推移，工业以太网已经渐渐发展进入全球工控自动化的标准通信技术之列。虽然现场总线类似Profibus、Modbus和ControlNet仍然随处可见，但他们的重要性随着工业以太网的普及正在快速地降低。工业以太网为用户提供的优势是显而易见的：更高的效率、更多的功能和更高的适应性。这可以使得从管理级到现场级的数据通信采用统一的方式，反之亦然。没有了接口互不兼容的问题，就可以在整个公司网络中使用基于web标准的工具。
目前工业以太网最主要的使用在管理层和控制层。并且借由特殊的实时以太网技术，在运动控制应用中，可以满足响应时间少于1ms的应用要求。例如CIPsync，ProfiNetIRT和ETHERNETPowerlink都已实现了此类应用，因此实时性的问题可以被认为已经解决了。安全问题的状况也是相似的，基本问题是一个基于以太网传输的适当的安全协议，像是基于Profinet的Profisafe、基于EtherNet/IP的CIPSafety都即将投入实际应用。
