以太网通信入门：了解基本原理

1.以太网的历史

以太网的核心思想是：使用公共传输信道。这个思想产生于1968年美国的夏威尔大学。

以太网技术的最初进展源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，以当年罗伯特.梅特卡夫（Robert Metcalfe）给他PARC的老板写了一篇有关以太网潜力的备忘录为标志。

1979年，梅特卡夫成立了3Com公司。3Com联合迪吉多、英特尔和施乐（DEC、Intel和Xerox）共同将网络进行标准化、规范化。这个通用的以太网标准于1980年9月30日出台。

2.以太网的分类

以太网分为标准以太网、快速以太网、千兆以太网和万兆以太网。

3.以太网的连接

（1）拓扑结构

1）星形。如图4-159a所示，管理方便、容易扩展、需要专用的网络设备作为网络的核心节点、需要更多的网线和对核心设备的可靠性要求高。采用专用的网络设备（如集线器或交换机）作为核心节点，通过双绞线将局域网中的各台主机连接到核心节点上，这就形成了星形结构。星形网络虽然需要的线缆比总线型多，但布线和连接器比总线型的要便宜。此外，星形拓扑可以通过级联的方式很方便地将网络扩展到很大的规模，因此得到了广泛的应用，被绝大部分的以太网所采用。

图4-159 拓扑图

a）星形结构 b）总线型结构 c）环形结构

2）总线型。如图4-159b所示，所需的电缆较少、价格便宜、管理成本高、不易隔离故障点以及采用共享的访问机制，易造成网络拥塞。早期以太网多使用总线型的拓扑结构，采用同轴缆作为传输介质，连接简单，通常在小规模的网络中不需要专用的网络设备，但由于它存在的固有缺陷，已经逐渐被以集线器和交换机为核心的星形网络所代替。

3）环形。如图4-159c所示，西门子的网络中，用OLM（Optical Link Module）模块将网络首位相连，形成环网。与总线型相比冗余环网增加了交换数据的可靠性。

此外，还有网状和蜂窝状等拓扑结构。

（2）接口的工作模式

以太网卡可以工作在两种模式下：半双工和全双工。

（3）传输介质

以太网可以采用多种连接介质，包括同轴缆、双绞线和光纤等。其中双绞线多用于从主机到集线器或交换机的连接，而光纤则主要用于交换机间的级联和交换机到路由器间的点到点链路上。同轴缆作为早期的主要连接介质已经逐渐趋于淘汰。

总之，以太网是目前世界上最为流行的拓扑标准之一，具有传播速度高、网络资源丰富、系统功能强大、安装简单和使用维修方便等优点。

4.工业以太网通信(www.xing528.com)

（1）初识工业以太网

所谓工业以太网，通俗地讲就是应用于工业的以太网，是指其在技术上与商用以太网（IEEE802.3标准）兼容，但材质的选用、产品的强度和适用性方面应能满足工业现场的需要。工业以太网技术的优点表现在：以太网技术应用广泛，为所有的编程语言所支持；软硬件资源丰富；易于与Internet连接，实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接；通信速度快；可持续发展的空间大等。

虽然以太网有众多的优点，但作为信息技术基础的Ethernet是为IT领域应用而开发的，在工业自动化领域只得到有限应用，这是由于以下原因：

1）Ethernet采用CSMA／CD碰撞检测方式，在网络负荷较重时，网络的确定性（Deter⁃minism）不能满足工业控制的实时要求。

2）Ethernet所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计，不符合工业现场恶劣环境要求。

3）在工程环境中，Ethernet抗干扰（EMI）性能较差。若用于危险场合，以太网不具备本质安全性能。

4）Ethernet还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。

随着信息网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。为促进Ethernet在工业领域的应用，国际上成立了工业以太网协会（Industrial Ethernet Association，IEA）。

（2）网络电缆接法

用于Ethernet的双绞线有8芯和4芯两种，双绞线的电缆连线方式也有两种，即正线（标准568B）和反线（标准568A），其中正线也称为直通线，反线也称为交叉线。正线接线如图4-160所示，两端线序一样，从上至下线序是：白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕。反线接线如图4-161所示，一端为正线的线序，另一端为从上至下线序是：白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕。对于千兆以太网，用8芯双绞线，但接法不同于以上所述的接法，请参考有关文献。

图4-160 双绞线正线接线图

a）8芯线 b）4芯线

图4-161 双绞线反线接线图

a）8芯线 b）4芯线

对于4芯的双绞线，只用连接头上的（常称为水晶接头）1、2、3和6四个引脚。西门子的PROFINET工业以太网采用4芯的双绞线。

常见的采用正线连接的有计算机（PC）与集线器（HUB）、计算机（PC）与交换机（SWITCH）、PLC与交换机（SWITCH）、PLC与集线器（HUB）。

常见的采用反线连接的有计算机（PC）与计算机（PC）、PLC与PLC。