基本介紹
起源于Xerox公司的一個實驗網，該實驗網絡的目的是把幾台個人計算機以3M的速率連接起來。由于該實驗網絡的突出表現，DEC，Intel，Xerox三家公司最終在1980年發布了第一個以太網協議标準建議書。以太網絡使用CSMA/CD（載波監聽多路訪問及沖突檢測技術）技術，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網與IEEE802·3系列标準相類似。
以太網不是一種具體的網絡，是一種技術規範。以太網是當今現有局域網采用的最通用的通信協議标準。該标準定義了在局域網（LAN）中采用的電纜類型和信号處理方法。以太網在互聯設備之間以10~100Mbps的速率傳送信息包，雙絞線電纜10 Base T以太網由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成為應用最為廣泛的以太網技術。直擴的無線以太網可達11Mbps，許多制造供應商提供的産品都能采用通用的軟件協議進行通信，開放性最好。
目前在工業自動化控制網絡的控制層和現場設備層，現場總線是最主要的通信方式。随着工業自動化控制的深化和廣化，統一通信标準成為公認的發展方向，工業以太網技術将成為現場總線技術的重要替代。以太網以其高度靈活，相對簡單，易于實現的特點，成為當今最重要的一種局域網建網技術。雖然其它網絡技術也曾經被認為可以取代以太網的地位，但是絕大多數的網絡管理人員仍然把将以太網作為首選的網絡解決方案。
（1）工業控制網絡的發展需求
首先，随着工業現場設備的智能化以及控制方式由單點控制走向協同系統控制，現場設備之間需要進行實時、快速的通信，傳輸數據的帶寬也相應由窄帶轉向寬帶。
其次，工業控制系統由工廠自動化發展到城市公共事業自動化（如城市地鐵控制系統、城市智能配電系統等），再發展到廣域控制系統（如特高壓智能電網控制系統、高速鐵路智能控制系統等），工業控制系統日趨分散。
最後，在工業控制的上層，需要集成生産計劃和控制、質量管理、跟蹤能力、維護系統等功能，希望從現場設備到本地操作站、管理層的整個控制網絡實現透明一體化以提高生産率，更快地評估、控制系統的每一部分，從而實現高效、實時、透明的遠程運營和管理。
綜上，工業控制網絡正朝着寬帶、實時、透明、雙向、互操作的方向發展，這就需要工業控制網絡具備标準化、歸一化的技術特點，以實現管理層、控制層和現場設備層更好的互連、互通和互操作。
（2）現場總線技術的不足
現場總線技術盡管已有一定範圍的磋商合并，但至今尚未形成完整統一的國際标準。其中具有較強實力和影響力的現場總線技術包括Foundation Fieldbus、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline 等。它們具有各自的特色，在不同應用領域形成了自己的優勢，但互不兼容，這一現狀一定程度上阻礙了全球工業信息化的進程。現場總線技術的主要不足之處在于：
①管理層與控制層及現場設備層采用不同的通信協議，上下層之間通過上位機連接，無法直接通信，管理層不能直接訪問控制區域的設備；
②由于國際标準推出緩慢，各類現場總線采用不同的技術，相互之間缺乏互連性和互操作性，不能實現透明連接；
③傳輸速率不高，缺乏對其它應用如語音、圖像數據的支持能力；
④由于現場總線是專用實時通信網絡，成本較高。
（3）工業以太網技術的優勢
工業以太網能夠提供現場總線無法提供的如下技術特性：
①将工業控制系統與辦公信息化系統融合，形成一體化的透明網絡；
②更寬的帶寬和更大的數據包以滿足越來越多的智能自動化設備的通信；
③更快速的同步實時通信以滿足運動控制應用的需求；
④在更大範圍内連接更多的設備并為之設置地址；
⑤主要使用以太網構造同質網絡；
⑥提供新功能如制造執行系統MES、在線升級固件、遠程組态及故障處理；
⑦集成現有的現場總線系統；
⑧實現更好的互操作性；
⑨可以使用标準化、低成本的以太網設備，如交換機、線纜、集線器等。
工業以太網可以構建互連、互通，以及具有更好互操作性的透明一體化工業控制網絡，實現工業控制網絡與企業信息網絡的無縫連接，形成企業級管控一體化的全開放網絡，實現管理層、控制層到現場設備層之間工業通信的“e 網到底”
曆史
以太網技術的最初進展來自于施樂帕洛阿爾托研究中心的許多先鋒技術項目中的一個。人們通常認為以太網發明于1973年，當年鮑勃.梅特卡夫(Bob Metcalfe)給他PARC的老闆寫了一篇有關以太網潛力的備忘錄。但是梅特卡夫本人認為以太網是之後幾年才出現的。在1976年，梅特卡夫和他的助手David Boggs發表了一篇名為《以太網：局域計算機網絡的分布式包交換技術》的文章。
1979年，梅特卡夫為了開發個人電腦和局域網離開了施樂(Xerox)，成立了3Com公司。3Com對DEC、英特爾和施樂進行遊說，希望與他們一起将以太網标準化、規範化。這個通用的以太網标準于1980年9月30日出台。當時業界有兩個流行的非公有網絡标準令牌環網和ARCNET，在以太網大潮的沖擊下他們很快萎縮并被取代。而在此過程中，3Com也成了一個國際化的大公司。
梅特卡夫曾經開玩笑說，Jerry Saltzer為3Com的成功作出了貢獻。Saltzer在一篇與他人合着的很有影響力的論文中指出，在理論上令牌環網要比以太網優越。受到此結論的影響，很多電腦廠商或猶豫不決或決定不把以太網接口做為機器的标準配置，這樣3Com才有機會從銷售以太網網卡大賺。這種情況也導緻了另一種說法“以太網不适合在理論中研究，隻适合在實際中應用”。也許隻是句玩笑話，但這說明了這樣一個技術觀點：通常情況下，網絡中實際的數據流特性與人們在局域網普及之前的估計不同，而正是因為以太網簡單的結構才使局域網得以普及。梅特卡夫和Saltzer曾經在麻省理工學院MAC項目(Project MAC)的同一層樓裡工作，當時他正在做自己的哈佛大學畢業論文，在此期間奠定了以太網技術的理論基礎。
概述
以太網基于網絡上無線電系統多個節點發送信息的想法實現，每個節點必須取得電纜或者信道的才能傳送信息，有時也叫作以太（Ether）。(這個名字來源于19世紀的物理學家假設的電磁輻射媒體-光以太。後來的研究證明光以太不存在。) 每一個節點有全球唯一的48位地址也就是制造商分配給網卡的MAC地址,以保證以太網上所有系統能互相鑒别。由于以太網十分普遍，許多制造商把以太網卡直接集成進計算機主闆。已經發現以太網通訊具有自相關性的特點,這對于電信通訊工程十分重要的。
集線器
在以太網技術的發展中，以太網集線器(Ethernet Hub)的出現使得網絡更加可靠，接線更加方便。因為信号的衰減和延時，根據不同的介質以太網段有距離限制。例如，10BASE5同軸電纜最長距離500米(1,640英尺)。最大距離可以通過以太網中繼器實現，中繼器可以把電纜中的信号放大再傳送到下一段。中繼器最多連接5個網段，但是隻能有4個設備（即一個網段最多可以接4個中繼器）。這可以減輕因為電纜斷裂造成的問題：當一段同軸電纜斷開，所有這個段上的設備就無法通訊，中繼器可以保證其他網段正常工作。
類似于其他的高速總線，以太網網段必須在兩頭以電阻器作為終端。對于同軸電纜，電纜兩頭的終端必須接上被稱作“終端器”的50歐姆的電阻和散熱器，and affixed to a male M or BNC connector.如果不這麼做，就會發生類似電纜斷掉的情況：總線上的AC信号當到達終端時将被反射，而不能消散。被反射的信号将被認為是沖突，從而使通信無法繼續。中繼器可以将連在其上的兩個網段進行電氣隔離，增強和同步信号。大多數中繼器都有被稱作“自動隔離”的功能，可以把有太多沖突或是沖突持續時間太長的網段隔離開來，這樣其他的網段不會受到損壞部分的影響。中繼器在檢測到沖突消失後可以恢複網段的連接。
随着應用的拓展，人們逐漸發現星型的網絡拓撲結構最為有效，于是設備廠商們開始研制有多個端口的中繼器。多端口中繼器就是衆所周知的集線器(Hub)。集線器可以連接到其他的集線器或者同軸網絡。
第一個集線器被認為是“多端口收發器”或者叫做“fanouts”。最著名的例子是DEC的DELNI，它可以使許多台具有AUI連接器的主機共用一個收發器。集線器也導緻了不使用同軸電纜的小型獨立以太網網段的出現。像DEC和SynOptics這樣的網絡設備制造商曾經出售過用于連接許多10BASE-2細同軸線網段的集線器。
非屏蔽雙絞線( unshielded twisted-pair cables , UTP )最先應用在星型局域網中,之後在10BASE-T中也得到應用，并最終代替了同軸電纜成為以太網的标準。這項改進之後，RJ45電話接口代替了 AUI 成為電腦和集線器的标準界口，非屏蔽3類雙絞線/5類雙絞線成為标準載體。集線器的應用使某條電纜或某個設備的故障不會影響到整個網絡，提高了以太網的可靠性。雙絞線以太網把每一個網段點對點地連起來，這樣終端就可以做成一個标準的硬件，解決了以太網的終端問題。
采用集線器組網的以太網盡管在物理上是星型結構，但在邏輯上仍然是總線型的，半雙工的通信方式采用CSMA/CD的沖突檢測方法，集線器對于減少包沖突的作用很小。每一個數據包都被發送到集線器的每一個端口，所以帶寬和安全問題仍沒有解決。集線器的總吞吐量受到單個連接速度的限制( 10或100 Mbit/s )，這還是考慮在前同步碼、幀間隔、頭部、尾部和打包上花銷最少的情況。當網絡負載過重時，沖突也常常會降低總吞吐量。最壞的情況是，當許多用長電纜組網的主機傳送很多非常短的幀時，網絡的負載僅達到50%就會因為沖突而降低集線器的吞吐量。為了在沖突嚴重降低吞吐量之前盡量提高網絡的負載，通常會進行一些設置工作。
橋接交換
盡管中繼器在某些方面隔離了以太網網段，電纜斷線的故障不會影響到整個網絡，但它向所有的以太網設備轉發所有的數據。這嚴重限制了同一個以太網網絡上可以相互通信的機器數量。為了減輕這個問題，橋接方法被采用，在工作在物理層的中繼器之基礎上，橋接工作在數據鍊路層。通過網橋時，隻有格式完整的數據包才能從一個網段進入另一個網段；沖突和數據包錯誤則都被隔離。通過記錄分析網絡上設備的MAC地址，網橋可以判斷它們都在什麼位置，這樣它就不會向非目标設備所在的網段傳遞數據包。象生成樹協議這樣的控制機制可以協調多個交換機共同工作。
早期的網橋要檢測每一個數據包，這樣，特别是同時處理多個端口的時候，數據轉發相對Hub（中繼器）來說要慢。1989年網絡公司Kalpana發明了EtherSwitch，第一台以太網交換機。以太網交換機把橋接功能用硬件實現，這樣就能保證轉發數據速率達到線速。
大多數現代以太網用以太網交換機代替Hub。盡管布線同Hub以太網是一樣的，但是交換式以太網比共享介質以太網有很多明顯的優勢，例如更大的帶寬和更好的結局隔離異常設備。交換網絡典型的使用星型拓撲,盡管設備工作在半雙工模式是仍然是共享介質的多結點網。10BASE-T和以後的标準是全雙工以太網，不再是共享介質系統。
交換機加電後，首先也像Hub那樣工作，轉發所有數據到所有端口。接下來，當它學習到每個端口的地址以後，他就隻把非廣播數據發送給特定的目的端口。這樣，線速以太網交換就可以在任何端口對之間實現，所有端口對之間的通訊互不幹擾。
因為數據包一般隻是發送到他的目的端口，所以交換式以太網上的流量要略微小于共享介質式以太網。盡管如此，交換式以太網依然是不安全的網絡技術，因為它還很容易因為ARP欺騙或者MAC滿溢而癱瘓，同時網絡管理員也可以利用監控功能抓取網絡數據包。
當隻有簡單設備(除Hub之外的設備)接入交換機端口，那麼整個網絡可能工作在全雙工方式。如果一個網段隻有2個設備，那麼沖突探測也不需要了，兩個設備可以随時收發數據。總的帶寬就是鍊路的2倍(盡管帶寬每個方向上是一樣的)，但是沒有沖突發生就意味着允許幾乎100%的使用鍊路帶寬。
交換機端口和所連接的設備必須使用相同的雙工設置。多數100BASE-TX和1000BASE-T設備支持自動協商特性，即這些設備通過信号來協調要使用的速率和雙工設置。然而，如果自動協商被禁用或者設備不支持，則雙工設置必須通過自動檢測進行設置或在交換機端口和設備上都進行手工設置以避免雙工錯配——這是以太網問題的一種常見原因(設備被設置為半雙工會報告遲發沖突，而設備被設為全雙工則會報告runt)。
許多低端交換機沒有手工進行速率和雙工設置的能力，因此端口總是會嘗試進行自動協商。當啟用了自動協商但不成功時(例如其他設備不支持)，自動協商會将端口設置為半雙工。速率是可以自動感測的，因此将一個10BASE-T設備連接到一個啟用了自動協商的10/100交換端口上時将可以成功地建立一個半雙工的10BASE-T連接。但是将一個配置為全雙工100Mb工作的設備連接到一個配置為自動協商的交換端口時(反之亦然)則會導緻雙工錯配。
即使電纜兩端都設置成自動速率和雙工模式協商，錯誤猜測還是經常發生而退到10Mbps模式。因此，如果性能差于預期，應該查看一下是否有計算機設置成10Mbps模式了，如果已知另一端配置為100Mbit，則可以手動強制設置成正确模式。.
當兩個節點試圖用超過電纜最高支持數據速率（例如在3類線上使用100Mbps或者3類/5類線使用1000Mbps）通信時就會發生問題。不像ADSL或者傳統的撥号Modem通過詳細的方法檢測鍊路的最高支持數據速率，以太網節點隻是簡單的選擇兩端支持的最高速率而不管中間線路。因此如果過高的速率導緻電纜不可靠就會導緻鍊路失效。解決方案隻有強制通訊端降低到電纜支持的速率。
快速發展
工業以太網就是人體的神經系統，它能敏感地将各種信息反饋給指揮者，也是傳輸指令的重要通道。
在現代化工廠中，工業以太網的使用已十分廣泛。而在現代工業全面邁向信息化的今天，更多的用戶利用工業以太網進行信息傳輸，完成更加集成的工業自動化和信息化解決方案，現代工業也在工業以太網的推動下朝着更加智能化的方向發展。
工業以太網的迅速普及為工業的發展注入了一股新鮮的活力。但如何選擇并使用好工業以太網，卻是一門很大的學問。由于工業環境的特殊性，選擇工業以太網要從多方面去考慮，以太網通信協議、通信速率、安裝方式、散熱問題及周邊的工業環境，都對工業以太網的使用有非常大的影響。此外，還要考慮以太網的安全性、實時性及冗餘等，需要設計工程師了解工業環境、生産流程及工業控制紡織等多方面因素。
當然，随着西門子、羅克韋爾，以及倍福等一大批自動化公司的推廣，已經有越來越多的自動化工程師加深了對工業以太網的了解，加大了工業以太網在工業現場實施的可能。
要了解以太網，必須要深入了解整個制造企業的需求。随着以太網技術的進步，未來的工業網絡必然是集高速度、高帶寬于一體的網絡，便于生産控制與規劃，可以對生産、物流、質量控制及産品追蹤于一身。
工業以太網的技術基礎及應用方式多是基于商用以太網發展而來的，在全球主導的有線網絡将數據傳輸技術的基礎上，根據工業領域的特點要求，采用以太網通信協議作為基本技術發展而生。工業以太網市場需求十分廣泛，無論是新建一條現代化的制造生産線，還是對舊有設備的改造，都會大量使用工業以太網。工業以太網的市場增長率也始終居高不下，據有關統計，每年新增工業網絡接口數量都将會是前一年的一倍左右。而随着工業以太網技術延展而帶動的PLC、DCS及PC_Based等控制類産品的市場容量，更是難以計算。
與普通的以太網相比，工業以太網需要解決開放性、實時性、同步性、可靠性、抗幹擾性及安全性等諸多方面的問題，這也是工業自動化廠商不同于普通IT廠商能為工業用戶帶去更大價值的地方。
在工業上，起初的工業以太網更多地被應用于管理層和控制層。随着通信網絡技術的發展，更多的以太網功能技術得以提高，使得工業以太網的應用範圍更為廣闊。如在實時性方面，由于以太網的信息通訊采用的是信息順序傳輸的方式，這種方式當通路擁擠的時候，就會造成一定的通路堵塞。這在對現場通訊實時性要求非常高的地方是不能滿足要求的。
現在在工業中，通常會采用專用的工業以太網交換機，定義不同的太網幀優先等級，讓用戶所希望的信息能夠以最快的速度傳遞出去。随着實時性與同步性的解決，在紡織與汽車制造等多個領域應用中，運動控制中已經有許多人采用實時以太網。
另外，包括profinet、EtherNet/IP及EtherCAT等以太網通訊協議都已經開始或實現了安全協議。相信随着安全協議的采用，工業以太網會得到更多的應用。
此外，商用以太網中的無線技術也為以太網的工業應用提供了更多的可能。無線網絡技術具有移動靈活、易于安裝及成本低廉等優點，尤其是随着3G技術的成功應用，更加證明了無線網絡技術的成熟，使得無線技術在工業環境中的應用變得更加現實。
在以太網逐步由工廠信息層向下延伸至控制層、執行層的今天，工業以太網的應用趨勢不言而喻。随着信息化的進步，工業以太網更擔負着貫穿整個工業網絡的任務，為生産制造實現更高度的集成、高效發揮着重要作用，實現一網到底不單單是工業以太網廠商的責任，更是工業自動化發展的未來。
現狀趨勢
随着時間的推移，工業以太網已經漸漸發展進入全球工控自動化的标準通信技術之列。雖然現場總線類似Profibus、Modbus和ControlNet仍然随處可見，但他們的重要性随着工業以太網的普及正在快速地降低。工業以太網為用戶提供的優勢是顯而易見的：更高的效率、更多的功能和更高的适應性。這可以使得從管理級到現場級的數據通信采用統一的方式，反之亦然。沒有了接口互不兼容的問題，就可以在整個公司網絡中使用基于web标準的工具。
目前工業以太網最主要的使用在管理層和控制層。并且借由特殊的實時以太網技術，在運動控制應用中，可以滿足響應時間少于1ms的應用要求。例如CIPsync，ProfiNetIRT和ETHERNETPowerlink都已實現了此類應用，因此實時性的問題可以被認為已經解決了。安全問題的狀況也是相似的，基本問題是一個基于以太網傳輸的适當的安全協議，像是基于Profinet的Profisafe、基于EtherNet/IP的CIPSafety都即将投入實際應用。
