自 1970 年代中期成立以來，以太網(wǎng)技術(shù)在業(yè)內(nèi)的采用不斷發(fā)展。 傳統(tǒng)上，以太網(wǎng)的使用僅限于數(shù)據(jù)中心，并長(zhǎng)期服務(wù)于各家公司的臺(tái)式 PC 基礎(chǔ)設(shè)施。 如今，五十多年過去后，以太網(wǎng)現(xiàn)在已經(jīng)是我們家庭、零售店、工業(yè)廠房、辦公室、電信基礎(chǔ)設(shè)施甚至汽車中占主導(dǎo)地位的有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
本文將回顧以太網(wǎng)技術(shù)從新興的 IT 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代一直到如今的興起過程，探討它在運(yùn)營(yíng)技術(shù) (OT) 和汽車應(yīng)用方面的進(jìn)展，并深入研究SPE、TSN over SPE、IOLINK over SPE、PoE和PoDL等一些最新的動(dòng)向。
以太網(wǎng)：堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)化之旅
若想精確界定計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)何時(shí)開始并不容易，然而，在上世紀(jì)60 年代的微型計(jì)算機(jī)時(shí)代（mainframe era），通過在電話線上使用越來越可靠的脈沖編碼調(diào)制 (PCM) 能夠支持更多的遠(yuǎn)程訪問服務(wù)。 1969 年，阿帕網(wǎng)項(xiàng)目（ARPANET project）將四臺(tái)美國(guó)大學(xué)計(jì)算機(jī)連接在一起。隨著 70 年代小型機(jī)時(shí)代的到來， DEC 和 Data General 等公司也隨之誕生。然而，隨著這個(gè)新興的個(gè)人電腦市場(chǎng)興起，也形成了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。
以太網(wǎng)的概念最初是在 70 年代中期來自于 Xerox PARC，其名稱由博士生羅伯特·梅特卡夫（Robert Metcalfe）提出，并由施樂公司注冊(cè)商標(biāo)。那個(gè)時(shí)代見證了許多不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛥f(xié)議，它們都在努力爭(zhēng)奪市場(chǎng)占有率和商業(yè)成功。 Xerox 在 PARC 部署了以太網(wǎng)，并于 1980 年向市場(chǎng)推出了 10 Mbit/s 協(xié)議。以太網(wǎng)是眾多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一，后來3COM 的創(chuàng)建者M(jìn)etcalfe 設(shè)法說服 DEC、英特爾和施樂在以太網(wǎng)技術(shù)上共同協(xié)作來制定標(biāo)準(zhǔn)，這一舉措極大地促進(jìn)了以太網(wǎng)的早期成功，并且 3COM 為 IBM PC 推出的以太網(wǎng)卡確保了該協(xié)議的未來成功。
圖 1：以太網(wǎng)速度的快速提高。（來源：以太網(wǎng)聯(lián)盟）
1985 年，IEEE 將以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)確定為 802.3，這項(xiàng)技術(shù)隨著帶寬提高和物理介質(zhì)的改進(jìn)而繼續(xù)發(fā)展。最初，以太網(wǎng)在總線拓?fù)渲惺褂猛S電纜，但使用交換機(jī)和非屏蔽雙絞線電纜的星形連接方法很快變得流行起來。以太網(wǎng)帶寬可提供高達(dá) 400 Gbits/s，參見圖 1。
大多數(shù)以太網(wǎng)應(yīng)用憑借四根 UTP 電纜實(shí)現(xiàn) 100Mbits/s 和 1Gbits/s速率，通過 RJ45 插頭和插座進(jìn)行互連。
以太網(wǎng)的廣泛采納、巨大彈性和靈活性也在驅(qū)動(dòng)這一技術(shù)在傳統(tǒng)信息技術(shù)領(lǐng)域之外進(jìn)一步采用。圖 2 僅說明了以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用的一部分。
圖 2 ：以太網(wǎng)的世界不再僅限于 IT 應(yīng)用。（來源：以太網(wǎng)聯(lián)盟）
用于運(yùn)營(yíng)技術(shù)的以太網(wǎng)
隨著工業(yè) 4.0 等行業(yè)效能改進(jìn)計(jì)劃的興起，用以太網(wǎng)技術(shù)支持生產(chǎn)資產(chǎn)的連接需求只是時(shí)間問題。然而，工業(yè)領(lǐng)域不同于辦公室、數(shù)據(jù)中心或家庭環(huán)境，其部署可能會(huì)遇到嚴(yán)苛的環(huán)境條件、振動(dòng)、流體和電噪聲等。工業(yè)領(lǐng)域可用空間也很緊張，控制柜和電纜導(dǎo)管空間非常寶貴。因此，限制因素是流行的四對(duì) UTP 對(duì)電纜的直徑、重量和彎曲半徑。工業(yè)技術(shù)部署的另一個(gè)方面是如何為此類設(shè)備供電，以太網(wǎng)可以使用四根 UTP 電纜提供電源 (PoE)，但需要一種全新的方法。
2019 年，千兆單對(duì)以太網(wǎng) (SPE) 標(biāo)準(zhǔn)被確定為 IEEE 802.3bp 1000BASE-T1。使用單根非屏蔽雙絞線，支持 15 米的鏈路長(zhǎng)度。改為屏蔽雙絞線可提供更好的 EMI 保護(hù)，同時(shí)可將最大允許鏈路長(zhǎng)度增加到 40 米。 SPE 電纜直徑明顯更小，比默認(rèn)的四對(duì) 6 類以太網(wǎng)電纜重量輕約 60%，為工業(yè)應(yīng)用提供了完美的解決方案。
隨著網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和電纜限制問題的解決，我們把焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向連接器布置。 RJ45 完全不適合工業(yè)應(yīng)用，如果沒有任何可靠的密封方法，濕氣、灰塵和其他污染物很容易破壞網(wǎng)絡(luò)連接的電氣特性。 2020 年 3 月推出的 SPE 連接器標(biāo)準(zhǔn) IEC 63171 定義了一套規(guī)范，以促進(jìn)不同工業(yè)連接器的使用，包括流行的圓形 M8 和 M12 格式。圖 3 所示為一些適用于屏蔽和非屏蔽電纜的 SPE 連接器類型。
圖 3：符合 IEC 63171-1 到 IEC 63171-6 的 SPE 連接器選擇類型。（來源：?jiǎn)螌?duì)以太網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)盟）
IEEE 802.3bu 和 802.3cg 中定義了對(duì)以太網(wǎng)供電的支持，被稱為數(shù)據(jù)線供電 (PoDL)，可提供 15 種不同的電壓、電流和電纜直徑組合，能夠?yàn)榻K端設(shè)備提供最大 52 瓦的功率。圖 4 突出顯示了 PoDL 的范圍。
圖 4 ：數(shù)據(jù)線供電 (PoDL) IEEE 802.bu 和 IEEE 802.cg 分類。（來源：?jiǎn)螌?duì)以太網(wǎng)工業(yè)合作伙伴網(wǎng)絡(luò)）
SPE 標(biāo)準(zhǔn)未來將會(huì)繼續(xù)發(fā)展以支持更廣泛的應(yīng)用，包括允許傳輸傳統(tǒng)工業(yè)協(xié)議（如Fieldbus），也可引入時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN)。 TSN 為以太網(wǎng)增加了確定性的實(shí)時(shí)功能，這是許多工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用現(xiàn)在所需的特性。
用于車載網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)技術(shù)
另一個(gè)與工業(yè)應(yīng)用有類似限制的市場(chǎng)是汽車。盡管兩種應(yīng)用非常不同，但我們的車輛面臨不斷增加的壓力，需要部署更多電子技術(shù)，包括更大的電纜重量和對(duì)更高數(shù)據(jù)帶寬不斷增長(zhǎng)的需求。更復(fù)雜的信息娛樂系統(tǒng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)駕駛、高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 等都是新技術(shù)的應(yīng)用案例。在過去十年中，隨著領(lǐng)先的汽車制造商轉(zhuǎn)向開發(fā)電動(dòng)汽車，汽車的重量更成為一個(gè)重要問題。
車體重量能夠影響續(xù)航里程和有效載荷能力，因此需要采取許多措施來減輕重量。其中一種方法是使用區(qū)域架構(gòu)（zonal architecture）連接車輛中的許多系統(tǒng)。例如，我們可以考慮駕駛員車門內(nèi)的功能，車輛后視鏡含有控制裝置，一些還包含盲點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)后視鏡、車窗執(zhí)行器和控制裝置、信息娛樂系統(tǒng)揚(yáng)聲器、防碰撞傳感器以及車門打開和鎖定裝置等。從歷史上看，這些執(zhí)行器、傳感器和控制裝置的接線被布置到發(fā)動(dòng)機(jī)艙或機(jī)艙內(nèi)的電子控制單元 (ECU)。區(qū)域架構(gòu)是把這些系統(tǒng)組合在一起，將單個(gè) ECU 放置在門內(nèi)，只需要電源和網(wǎng)絡(luò)連接。這種方法可以顯著降低相關(guān)電纜線束的復(fù)雜性和重量。
如圖 2 所示，汽車以太網(wǎng)市場(chǎng)正在成為一個(gè)重要的成功案例。單對(duì)以太網(wǎng)具有支持實(shí)施車載網(wǎng)絡(luò) (IVN) 區(qū)域架構(gòu)的所有特性，從而減輕所有設(shè)備連接的重量和成本。
OPEN 聯(lián)盟（OPEN Alliance）是一個(gè)由領(lǐng)先汽車制造商和供應(yīng)商組成的機(jī)構(gòu)，它提倡使用 1000Base-T1 標(biāo)準(zhǔn)的單（單對(duì)）雙絞線以太網(wǎng)。圖 5 突出顯示了這種技術(shù)可用于連接現(xiàn)代車輛中的關(guān)鍵功能系統(tǒng)。
圖 5：?jiǎn)螌?duì)以太網(wǎng)可提供一種連接多個(gè)車載系統(tǒng)的輕量級(jí)、快速和直接的方法。（來源：OPEN Alliance）
用于零售和樓宇自動(dòng)化的以太網(wǎng)
受益于以太網(wǎng)功能的另外兩個(gè)市場(chǎng)是零售和樓宇自動(dòng)化。以太網(wǎng)的性能和高彈性使其成為連接銷售點(diǎn)（PoS）終端、房間占用傳感器和照明控制單元的理想選擇。實(shí)際中，并非每種應(yīng)用都需要以太網(wǎng)的高帶寬能力，但是，許多應(yīng)用都會(huì)使用以太網(wǎng)供電 (PoE)功能。為 PoS 終端或以人為中心的照明控制器提供直流電源，并使用標(biāo)準(zhǔn)的四路 UTP 單以太網(wǎng)電纜將其連接到網(wǎng)絡(luò)，具有極大的靈活性和便利性。其他應(yīng)用案例包括連接閉路電視攝像機(jī)、信用卡終端和 HVAC 控制等，還可以為它們供電。
電力一般通過支持 PoE 的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或通過專用 PoE 注入器進(jìn)入以太網(wǎng)對(duì)。所有向網(wǎng)絡(luò)供電的設(shè)備都稱為電源設(shè)備 (PSE)，用于向受電設(shè)備 (PD) 供電，這些受電設(shè)備也稱為端點(diǎn)。安全攝像頭或現(xiàn)金終端等許多受電設(shè)備都是專門為支持PoE 而設(shè)計(jì)，它們包含一個(gè)電路，用于從數(shù)據(jù)中分離 DC 電源。傳統(tǒng)設(shè)備可能需要外部 PoE 分離器。
第一個(gè) PoE 標(biāo)準(zhǔn) 802.3af 于 2003 年發(fā)布，能夠在受電設(shè)備端提供最大12.95 瓦的功率。該方法使用 Cat5e 電纜四對(duì)雙絞線中的兩對(duì)來進(jìn)行電力輸送。
為了能夠按照類型和等級(jí)定義來確定供電能力，PoE也在迅速發(fā)展。最新的 PoE 標(biāo)準(zhǔn)是 802.3bt（參見圖 6），它使用所有四對(duì) Cat6A 以太網(wǎng)電纜。每種類型都定義了一組輸入電壓和電流限制，以實(shí)現(xiàn)所需的功率。
圖 6：以太網(wǎng)供電的演變展示了最大負(fù)載功率傳輸能力，（來源：貿(mào)澤電子）
IEEE 802.3bt 規(guī)定每個(gè) PSE 以太網(wǎng)端口的輸入功率限制為 100W，這樣可以為PD提供最大71W的功率，超過 LED 燈具照明所需的供電能力。
以太網(wǎng)將繼續(xù)提供強(qiáng)大而有彈性的網(wǎng)絡(luò)
在過去的四十多年里，以太網(wǎng)從不起眼的開始發(fā)展成為一種主導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。但它如今并沒有停止的跡象，其發(fā)展動(dòng)向包括具有更高的帶寬和使用光纖作為替代媒介。 對(duì)于電子工程師而言，以太網(wǎng)的持續(xù)采用提供了許多新機(jī)會(huì)，可以將連接性和供電的便利性融入新設(shè)計(jì)。 例如，是否可以使用以太網(wǎng)為新的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)供電，從而無需電池或線路電源？ 在某些家庭環(huán)境中，Wi-Fi 信號(hào)強(qiáng)度變化很大，所以也許使用有線以太網(wǎng)連接到路由器會(huì)使具體應(yīng)用運(yùn)行更可靠、更安全？
一旦您決定采用以太網(wǎng)技術(shù)，看似注定都將喜迎一個(gè)激動(dòng)人心的未來。