工业以太网的结构与通讯协议：比喻大厦中的钥匙

在工业领域，电力通信和电网信息化是不可或缺的网络平台，而工业以太网交换机则扮演了重要角色。今天，我们将探讨一下工业以太网的结构及其专业术语。

拓扑结构

拓扑是指网络中电缆布置的一种方式。众所周知，EIA-485或CAN采用总线型拓扑。但在工业以太网中，由于普遍使用集线器或交换机，拓扑结构通常为星型或分散星型。

接线

工业以太网使用多种类型的电缆，有屏蔽双绞线(STP)、非屏蔽双绞线(UTP)、多模光缆以及单模光纤。10Mbps速率对双绞线没有过高要求，而在100Mbps速率下，推荐使用五类或超五类双绞线。在选择光纤时，一对多模光纤波长为62.5/125μm或50/125μm；而单模光纤内芯直径仅有10μm左右。通常情况下，10Mbps适用于多模光纤，而100Mbps则可以使用多模或者单模光纤。

接头和连接

RJ-45接头是最常见的双绞线接头，它包含两对信号，每一对分别用于发送和接收。在媒介相关接口(MDI)定义中，这四个信号分别标识为RD+、RD-、TD+、TD-。

工业以太网与普通商用以太网产品

什么是工业以太网?技术上，它与IEEE802.3兼容，但设计和包装兼顾了工业环境的特殊要求，如高温、高湿、震动等，以及是否能方便地安装在控制柜内、电源需求等。此外，还需考虑到EMC标准，对于恶劣环境下的抗干扰能力至关重要。

速度和距离

共享型以太网络（如半双工）需要考虑碰撞域(CollisionDomain)概念。在半双工模式下，媒体访问遵循CSMA/CD算法。当一个站点准备发送数据之前，它首先要检测信道是否为空闲，如果空闲，则开始发送；同时，在一定时间内保持监听，以确保没有其他站点正在进行同步传送。如果发生冲突，则数据会被阻塞，并重新尝试发送。

集线器和交换机

中继器是一种构建起主干链路并允许不同物理层设备之间通信的手段。而交换机作为一种更复杂但功能更强大的设备，可以终结每个端口上的碰撞域，从而提高网络性能。它们能够自动学习并维护端口地址表，以优化数据传输效率。此外，不同类型的设备也有各自适用的场景，比如集线器适合简单拓扑，而交换机则更适合大规模扩展性需求。

半双工与全双工

半双工意味着同一媒体上的发送和接收操作不同时进行；而全双工则提供独立且相反方向运行的通信路径，全 双 工链路对于实现快速成百兆bps级别的事务至关重要。不过，全 双 工链接只能包括两个设备，即使是在交换机端口间也是如此。这也解释了为什么只有当两个节点直接相连时才可能实现全 双 工状态，而且这种状态并不涉及集線器，因为后者参与碰撞检测过程不能支持全 双 工模式。如果有三个以上节点，那么至少需要一个专门设计支持全 双 工状态的大型可编程逻辑门阵列（FPGA）来处理所有这些不同的流量流动顺序问题，并确保不会出现任何形式的人为错误导致系统崩溃的情况发生。而现在我们知道，当你拥有足够好的硬件资源时，你就可以通过一个具有高度灵活性的FPGA来管理这些复杂的事情。你只需编写一些代码，然后让FPGA根据你的规则执行它。这就像是一个非常聪明的人，他可以帮助你完成你想要完成的事情，只要他能理解你的意图并按照你的指导行事。他会分析每个请求，看看它是否符合预定的规则，如果不是，他会忽略它或者改变他的行为，使其符合既定条件。这就是为什么我们称之为“智能”——因为他们能够根据我们的输入做出反应，并基于这个输入做出决定，就像是他们自己有意识一样。

此外，要注意的是，大部分商业应用都无法满足严格且特定的工作环境标准，因此不能轻易转移到生产环境中。此外，还有一些关于安全性的额外考虑因素，比如说防止未经授权访问某些区域的问题，这本身就是另一个话题了。但总体来说，无论是在实践还是理论上，都存在许多挑战性质的问题待解决，而且每个问题都必须从不同的角度去思考解决方法，所以这是很令人兴奋的一项研究工作！