在邊緣部署單對以太網

工業領域的工廠長期以來一直使用數字數據來監視和控制生產設施。工廠、數據中心和商業建筑中的大型網絡系統一直在將其數字信息網絡的邊緣越來越近地推向現實物理世界。溫度、壓力、接近或光等物理測量值會被轉換為數字信息以供系統處理，計算出的結果隨后會轉化為實際設備（如閥門、風扇、電源和指示器等）的物理動作。信息技術（IT）網絡與運營技術（OT）網絡正趨向于使用類似的技術來簡化整個組織的數據流。

若想使IT與OT更緊密地結合在一起，其中一種方法是使用單一底層網絡在各個系統之間建立通信。當電子技術首次進入自動化領域時，各種分布式子系統都是專業化的，并且由使用的硬件定義。針對這些域特定的硬件架構，分別定義了針對特定應用而優化的通信技術。每個硬件系統都使用專門的總線進行通信，因此需要通過復雜的網關從一個硬件系統的通信協議轉換到另一個硬件系統的通信協議。

隨著時間的推移，這種過時的架構逐漸被軟件定義的集中式架構所取代。在新架構中，不再使用獨立分離的域或功能，而是將電子接口分組到企業內的各個區域并與現代的集中式計算平臺相連。這些電子接口使用現在無處不在的以太網技術將數據傳輸到需要的地方。以太網是可擴展的。單個軟件協議棧可以使用不同的硬件物理層以不同的速度傳遞信息，而不改變數據本身。無論給定以太網鏈路的帶寬如何，都使用同一種以太網幀格式。以太網交換機自動調整每個端口的數據傳輸速度。

在網絡邊緣，各種傳感器（溫度、壓力、光和接近等）從物理世界獲取數據并將其轉換為數字信息。數據信息經過處理后轉化為執行器（電機、燈、風扇和閥門等）的物理動作。這些設備通常不需要大量數據，但著重要求布線簡單且易于安裝。10BASE-T1S以太網專為這些應用而開發，它將以太網架構引入到了非常簡單的設備中。圖1呈現了這一技術趨勢。

圖1：網絡趨勢

10BASE-T1S以太網專門針對這些分區架構而開發。它通過一個平衡線對以10 Mbps的速度運行。10BASE-T1S技術基于40多年前以太網首次成為標準時使用的簡單機制，但對其進行了增強以更有效地利用所有可用帶寬。

以太網最初使用單根同軸線纜直接連接多個設備。現今廣泛使用的交換機是后來開發的，旨在消除原始方案的多分支特性所導致的缺點。但是，交換機的出現增加了復雜度和成本，而且需要在每個設備與交換機之間建立一條點對點連接。

最初以太網的工作原理是各種設備檢測其所連接的線路，然后嘗試發送數據。如果只有一個設備開始進行發送，則可以發送完整的數據包信息。如果多個設備同時嘗試進行發送，則線路上將發生沖突，并且所有設備都會檢測到沖突。這些設備隨后將關閉，并在一段隨機時間后重試。這項技術被稱為帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）。其主要缺點是隨著越來越多的設備連接到單線主干網，將會發生更多的沖突，并且會浪費越來越多的時間進行退出和重試。鏈路的有效帶寬會變得非常有限。

10BASE-T1S以太網通過引入一種名為PLCA物理層防沖突（PLCA）的仲裁機制解決了這一問題。PLCA專門設計用于10BASE-T1S等半雙工、多分支通信網絡，并且消除了多分支混合段中的CSMA/CD問題。

PLCA部署到位后，發送周期從協調器節點（節點0）發出信標開始，各網絡節點使用該信標進行同步。發出信標后，發送機會將傳遞給節點1。如果節點1沒有要發送的數據，則會將發送機會讓給節點2，以此類推，直到每個節點都至少獲得一次發送機會。然后，協調器節點會發起一個新周期，并發送另一個信標。

為了防止某個節點一直占用總線，jabber功能會在該節點的發送時間超出限額時將其中斷，讓下一個節點進行發送。最終結果是數據吞吐量不會受到影響，總線上也不會發生數據沖突。CSMA/CD可能會因數據沖突而產生隨機延時。PLCA可保證延時不會超過指定上限并提供其他相關特性，從而克服上述限制。圖2說明了PLCA的工作原理。

圖2：物理層防沖突——PLCA

當數據位和字節在線路中從一個設備傳輸到另一個設備并恢復后，會以標準以太網數據包格式提供給更高的軟件層。該格式包含目標地址、源地址、一些管理位和有效負載。格式不會隨著物理層的變化而改變。這意味著即使越來越多的數據聚集等待計算機系統處理，導致網絡速度發生變化，軟件層也仍然保持不變。圖3顯示了整體概念。

圖3：從邊緣到云端的以太網

可以使用以太網機制來連接這些設備，而不必在OT網絡的端點使用多種現場總線和協議。這些都可以使用易于理解的以太網機制來解決。

這其中包括各種安全機制，用于防止入侵或窺探數據，更糟糕的還有干擾物理系統使用數據。由于以太網極具彈性，因此可用于銀行業等安全性非常高的應用。其他專用通信技術可能很少甚至根本沒有網絡安全功能，必須從頭開發并進行維護。此外，還必須落實提供這些功能的物流保障，這可要比硬件產品的設計和制造復雜得多。不但針對設施的訪問需要控制，而且供應鏈的任何環節都可能發生可信鏈漏洞。很少有半導體供應商能夠承擔這項任務。

以太網是數據分析基礎設施不可或缺的一部分。大數據用于分析趨勢并提供服務。預測性維護、遠程診斷和其他監視服務需要訪問系統中的所有數據，而以太網可以提供對工業基礎設施最遠范圍的訪問。與此同時，軟件可以管理各種流程并隨著技術的變化實現動態調整，二者相輔相成。

使用以太網等標準化技術還可以簡化功能安全系統的開發。功能安全是指當系統中的某個組件出現故障時，系統能夠以可預測的方式做出反應，從而安全地避免引發更多問題。不同行業有不同的標準。例如，汽車行業有ISO26262。工業應用使用IEC61508。醫療、消費類和其他應用都有自己的標準。但是，基本上都大同小異。功能安全適用于整個系統，但系統設計人員需要確保使用的組件支持功能安全，以便整個系統符合功能安全標準。

例如，半導體元件需要配備功能安全手冊，用以分析和診斷失效模式的影響。這被稱為FMEDA（失效模式影響和診斷分析），是一種確定失效原因及其對系統影響的方法。該方法應用于系統開發的早期階段，以便檢測并糾正任何缺陷。

OT網絡和IT網絡需要實現互操作性和安全性，而10BASE-T1S以太網的出現為二者的結合創造了新的商機。數據可以從網絡邊緣的節點進行訪問，并可用于實現新的智能預測服務以及資產跟蹤和管理解決方案。

通過精簡元件、軟件設計和布線可以降低系統成本。不再需要網關。由于多個設備通過單對線纜連接到一條總線，因此使用的交換機端口數量有所減少。

通過使用統一的接口和完善的安全機制可以降低風險。10BASE-T1S以太網是對IIoT網絡邊緣傳統解決方案的有力補充。它支持OT網絡和IT網絡各個級別的統一設計、軟件開發、測試和維護。精簡架構和增強安全功能可以幫助設計人員降低風險，輕松打造功能安全系統。