随着工业自动化系统的发展，工业以太网专题">工业以太网成为越来越受欢迎的网络。如果您从事过评估网络的工作，那么您就会了解到这样一个决定的重要意义以及在选择阶段可能出现的困惑。关于什么是标准的？什么不是标准的？以及什么技术适合工业应用？这些问题都有大量不同的主张和看法。由于如此多的自动化供应商都声称他们的以太网网络是“标准的”，问题出现了，什么才是真实的而什么是虚构的？而原因又是什么呢？
本文将剖析市场说法的各个层面并分析究竟是什么构成了标准以太网。另外，本文将总结使用标准的、未修改的以太网作为工业网络与偏离了一种或多种标准的基于标准的网络相比的关键优势。然而，在开始之前，首先请让我们来仔细地定义一下是什么构成了“标准以太网”的标准。
I. 标准以太网定义
以太网，与其它现代通讯协议一样，符合OSI七层通讯模型。OSI模型是抽象的概念，用于描述一种通讯协议是如何设计的。
虽然OSI模型中将网络划分为了七层，然而标准以太网一般分为3个部分: 在最下层是IEEE 802.3，中间是TCP/UDP/IP协议族，而在最上面是应用层。这种未经修改的以太网网络的典型应用包括您在Internet上所使用的网页和电子邮件。工业协议使用的是标准的、未经修改的以太网，其中包括EtherNet/IP、Modbus/TCP 和PROFInet CBA (Version 1)。
图1- 标准的、未经修改的以太网协议栈
标准以太网工业网络的第一部分是IEEE 802.3，它所指的是共同定义了OSI模型底部两层的一组标准。第一层，也就是物理层，指定了所有兼容的媒介、电缆以及架构设备（如交换机、路由器和集线器）的需求。IEEE 802.3标准还包括第2层，第2层为数据链路层指定了媒介访问控制（MAC）协议。这为以太网设备之间的数据包移动定义了单一的帧格式。
组成标准以太网网络的第二个关键部分是TCP/UDP/IP协议族，对应的是OSI模型的第3、4层。传输层协议如TCP和UPD使网络上的两个设备能够交换数据，它位于IP网络层协议的顶端。IP协议的目的在于指定以太网数据包的格式以及合适的寻址方式。IEEE 802.3和TCP/UDP/IP层共同为网络打下了功能强大的基础，能够支持流行的Internet功能如电子邮件(SMTP)、网页浏览(HTTP)、文件传输(FTP)、语音传输(VOIP) 和网络管理(SNMP)等功能。在全球范围内有超过20亿人正使用着这些功能，而这些功能实际上是应用层(OSI 第七层) 的协议，他们位于IEEE 802.3和TCP/UDP/IP协议栈之上。
为了满足工业应用需求，标准的以太网网络需要第三部分也是最终的部分。这个最终部分由一种额外的应用层协议所组成，这种协议是位于IEEE 802.3和TCP/UDP层之上的，与前面提到的各种其它应用层协议共同位于应用层。在这层上所要完成的典型工业功能包括配置、数据采集、HMI信息通讯、操作员控制、I/O控制和变频器控制。为了使以太网能够作为一个有效的工业网络来工作，应用层必须能够处理额外的实时需求功能，如设备安全、运动控制以及时间同步。“实时功能”指的是系统在所有的操作环境下、在所有的期望时间限制内对所有可能出现的事件做出正确反应的能力。许多网络评估人员也在寻找整个工业网络协议能够获得一些组织的认可，如IEC1并满足相应的欧洲标准2。这些组织和标准帮助用户确保了网络能够满足工业应用的要求。
上面所说的三部分共同构成了使用标准的、未经修改的以太网的工业解决方案。下一步，我们将来看看经过修改的以太网网络与标准以太网有什么不同以及这些不同是如何影响最终用户的。
II. 什么不是标准的?
今天，许多自动化网络供应商违反一条或多条上面提到的构成标准以太网的原则，希望能够提供更加高速的性能、使工业流量和产品具有更高的优先级，从而使网络能够更好地适应恶劣的工业环境。然而，为了迎合客户，他们声称他们的网络是“基于标准的”。这种声明对于那些想要使用以太网网络的人们来说产生了巨大的混淆，并扭曲了对于工业以太网专题">工业以太网的真正定义。下面我们将分析真正的标准以太网网络和“基于标准的”或者“兼容标准的”工业以太网技术在技术方面的区别。
“基于标准的”和“兼容标准的”这两种说法单独来说并不能保证网络与所有的以太网标准相兼容。究竟是什么构成了“基于标准的”或者“兼容标准的”工业以太网专题">工业以太网网络呢？答案很简单：所有更改了IEEE 802.3、绕开或者修改了TCP/IP协议族，和/或缺少合适的应用层的解决方案，而这些都不是标准的。在许多案例中，网络供应商开始提供的是未经修改的以太网协议栈的各层，然后对其进行修改和添加，在其中加入软件、协议、硬件或者将以上三者都加入到协议栈中。
所有更改了IEEE 802.3、绕开或者修改了TCP/IP协议族，和/或缺少合适的应用层的解决方案都不是标准的。
图2 以太网实时方法分类
对于IEEE 802.3的修改 (物理层和数据链路层)
几乎所有的以太网解决方案都声称自己与标准、普遍使用的以太网硬件相兼容，其中包括交换机、电缆和连接器；然而，这种声明将会误导用户。例如像PROFInet IRT (Version 3) 和EtherCAT 这样的网络在最终设备中使用了专有的(不兼容IEEE 802.3)硬件以及内置的自定义交换机。这些设备需要设计者应用额外的规则、为标准以太网增加了复杂性，而且可能无法使用标准的网络管理和故障解决工具。
基于标准的网络所修改的另一个方面通常是标准以太网模型的数据链路层。IEEE 802.3 定义了标准以太网中的数据链路层要使用载波侦听多路访问以及冲突检测(CSMA/CD)，这是一种定义了在网络上以及设备之间进行传输的单一帧格式的网络控制协议。一些网络供应商绕开这种协议，声称因为数据包有冲突因此它并不是确定性的。然而这种观点是陈旧的而且是有误导性的，由于标准交换机避免了冲突的可能性，从而能够提供优异的确定性。其他供应商声称交换机为网络定时增加了可变性，或者说是“抖动”；然而，引入的抖动数量在所有的自动化应用中都是可以忽略的(数量级为100钠秒级)，即使是要求最严格的应用也不例外。
一般来说，非标准以太网网络对数据链路层所进行的修改包括将网络的更新周期“限制”为离散的时隙、使用非标准的媒介访问硬件来控制网络上的设备和/或使用特殊的轮询时程来在主设备和从设备之间进行通讯。虽然这些机制增加了网络的确定性，但是他们可能会为客户引入额外的问题，例如无法使用COTS以太网设备、对专用硬件的需求、网络拓扑支持的限制，以及由于时程的修改造成复杂度的增加。另外，COTS以太网设备并不了解任何专用的传输时程或者在数据链路层上使用特殊的轮询机制，因此这可能会极大地降低正常TCP/UDP/IP 流量传输的带宽宽度。
图3- 标准和非标准以太网协议栈
修改或绕开TCP/UDP/IP (传输层和网络层)
标准以太网通讯使用TCP/IP，这本身就是非确定性的并拥有几百毫秒的响应时间。然而，像远程I/O控制和运动控制这样的应用要求只能有几毫秒的响应时间或者更少。为了增强确定性，许多基于标准的网络都修改或者绕开了TCP/UDP/IP协议族。这些网络取而代之地在以太网协议栈的传输层和网络层使用了其它的、通常是自定义的技术。一些非标准网络声称与TCP/IP“兼容”，但实际上，这些网络只不过是使用TCP/IP作为补充的频道来提供非实时的数据传输。真正的实时数据是使用专用的时分或轮询时程来传输的。另外，这些机制通常在网关设备构成方面需要更多额外的专用硬件。
由于绕开了TCP/IP协议，这样的专用网络限制了用户对于标准、不用定制的以太网产品的使用，如路由器、交换机、防火墙等等。这种限制将破坏标准以太网的一条最基本的优势– 对于低成本、现有商用产品以太网硬件的可用性。
图4-非标准OSI协议栈实例
对标准以太网协议进行修改的另一个弊端是会导致网络对于IT流量无法访问的现象将会增多。例如，当工厂的IT部门需要大量的数据来通讯的时候将会发生什么？时分技术和轮询机制通常会修网络计时行为，从而使网络可以处理可能会遇到的高级别TCP/UDP/IP流量。由于这些网络将时分数据优先于其它数据，那么这将会造成TCP/UDP/IP流量多大的延迟呢？而且，这种性能对于IT部门来说是未知的。
当标准以太网的各层受到修改，IT部门员工对于这些新的、专用技术的培训将会造成重大的挑战以及额外的费用。IT人员一般来说都是标准以太网技术和像IEEE 802.3这样协议的专家，然而，当以太网协议栈中插入了像轮询时程、时分这样的专用技术和自定义硬件时，对于整个IT部门来说通常需要陡峭的学习曲线，耗费大量的时间和精力。另外，IT所首选的传统以太网工具和基础设施，如标准网络管理工具(例如网络分析仪)和一些功能(例如VLAN和标准安全协议)可能与新的网络并不兼容。
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