工业工厂长期以来一直使用数位资讯来监视和控制生产设施。工厂、资料中心和商业建筑中的大型网路系统正不断将数位资讯网路的边界推向现实物理世界。像温度、压力、距离或光线这类物理测量数据被转换为系统可处理的数位资讯，随後计算结果再转换为真实设备的实体动作，例如阀门、风扇、电源供应器、指示灯等。资讯技术（IT）和营运技术（OT）网路正趋向於使用类似技术，以便在整个组织内更顺畅地传递数据。

将IT和OT更紧密结合的一种方法是使用单一底层网路在各系统之间进行通讯。当电子技术首次进入自动化领域时，各种分散式子系统根据所使用的硬体进行专门设计和定义。针对特定应用优化的通信技术则针对这些特定领域的硬体架构而定义。每个系统使用专门的汇流排进行通信，需要复杂的闸道器将通信协议从一种硬体系统转换为另一种。

随着时间的推移，集中化、软体定义的架构正逐步取代过时的方法。电子介面不再是独立的功能或领域，而是被划分为企业内的区域，并连接到现代化的集中计算平台。它们利用如今普遍存在的乙太网技术将数据传输至所需位置。乙太网具有可扩展性，单一软体堆叠可以使用不同的硬体物理层，以不同速度传递资讯，而不更改数据本身。无论乙太网连接的频宽为何，都使用单一的乙太网框架格式，乙太网交换器会自动调整每个端囗的数据传输速度。

在网路边缘，各种感测器（例如温度、压力、光线、距离等）从实体世界中收集数据并将其转换为数位资讯。经过处理後，致动器（例如马达、灯光、风扇、阀门等）将数位数据转换为物理动作。这些设备通常不需要大量数据，但重要的是布线必须简单且易於安装。10BASE-T1S乙太网专为这些应用而开发，将乙太网架构应用於非常简单的设备。图一显示了这一技术趋势。

图一 : 网路趋势

10BASE-T1S技术

10BASE-T1S乙太网专为这些区域架构而开发。它以单对平衡线缆传输，速率为10 Mbit/s。10BASE-T1S技术基於乙太网在40多年前首次成为标准时所使用的简单机制，并对其进行了增强，以更有效地利用所有可用频宽。

乙太网最初使用单一同轴电缆，允许多个设备直接连接。如今广泛使用的交换机是後来开发的，用以解决原始多接点方案所带来的缺点。然而这些交换机增加了复杂性和成本，并导致设备与交换机之间需要单一的点对点连接。

最初乙太网的工作原理是各种设备检测其所连接的线路，然後尝试发送资料。如果只有一个设备开始进行发送，则可以发送完整的资料封包讯息。如果多个设备同时尝试进行发送，则线路上将发生冲突，并且所有设备都会检测到冲突。这些设备随後将关闭，并在一段随机时间後重试。

这项技术被称为带冲突检测的载波侦听多路存取（CSMA/CD），其主要缺点是随?越来越多的设备连接到单线主干网，将会发生更多的冲突，并且会浪费越来越多的时间进行退出和重试，链路的有效频宽会变得非常有限。

物理层防冲突（PLCA）

10BASE-T1S乙太网透过引入一种名为PLCA物理层防冲突（PLCA）的仲裁机制解决了这一问题。PLCA专门设计用於10BASE-T1S等半双工、多分支通讯网路，并且消除了多分支混合段中的CSMA/CD问题。

PLCA部署到位後，发送周期从协调器节点（节点0）发出信标开始，各网路节点使用该信标进行同步。发出信标後，发送机会将传递给节点1。如果节点1没有要发送的资料，则会将发送机会让给节点2，以此类推，直到每个节点都至少获得一次发送机会。然後，协调器节点会发起一个新周期，并发送另一个信标。

为了防止某个节点一直占用汇流排，Jabber功能会在该节点的发送时间超出限额时将其中断，让下一个节点进行发送。最终结果是资料吞吐量不会受到影响，汇流排上也不会发生资料冲突。CSMA/CD可能会因资料冲突而产生随机延时。PLCA可保证延时不会超过指定上限并提供其他相关特性，进而克服上述限制。图二说明了PLCA的工作原理。

图二 : 物理层防冲突PLCA

安全

当从将数据从一个设备传输到另一个设备的线缆中恢复出位元组後，它们会被转交给更高的软体层，并以标准乙太网封包格式呈现。此格式包含目的地位址、来源位址、一部分管理位元和负载。该格式不会随着物理层的变更而改变，这意味着即使网路速度随着更多数据汇集到计算机系统进行处理而发生变化，软体层也能保持不变。图三展示了整体概念。

图三 : 从边缘到云端的乙太网

可以使用乙太网机制来连接这些设备，而不必在OT网路的端点使用多种现场汇流排和协议，这些都可以使用易於理解的乙太网机制来解决。

这其中包括各种安全机制，用於防止入侵或窥探资料，更糟糕的还有干扰物理系统使用资料。由於乙太网极具弹性，因此可用於银行业等安全性非常高的应用，其他专用通讯技术可能很少甚至根本没有网路安全功能，必须从头开发并进行维护。此外，还必须落实提供这些功能的物流保障，这可要比硬体产品的设计和制造复杂得多。不但针对设施的存取需要控制，而且供应链的任何环节都可能发生可信链漏洞，很少有半导体供应商能够承担这项任务。

乙太网是资料分析基础设施不可或缺的一部分。大资料用於分析趋势并提供服务。预测性维护、远程诊断和其他监视服务需要存取系统中的所有资料，而乙太网可以提供对工业基础设施最远范围的存取。与此同时，软体可以管理各种流程并随?技术的变化实现动态调整，二者相辅相成。

功能安全

使用乙太网等标准化技术还可以简化功能安全系统的开发。功能安全是指当系统中的某个组件出现故障时，系统能够以可预测的方式做出反应，进而安全地避免引发更多问题。不同行业有不同的标准，例如汽车行业有ISO26262。工业应用使用IEC61508。医疗、消费性和其他应用都各自有标准，但基本上都大同小异。功能安全适用於整个系统，但系统设计人员需要确保使用的组件支援功能安全，以便整个系统符合功能安全标准。

例如，半导体元件需要配备功能安全手册，用以分析和诊断失效模式的影响。这被称为FMEDA（失效模式影响和诊断分析），是一种确定失效原因及其对系统影响的方法，该方法应用於系统开发的早期阶段，以便检测并纠正任何缺陷。

总结

OT网路和IT网路需要实现互操作性和安全性，而10BASE-T1S乙太网的出现为二者的结合创造了新的商机。资料可以从网路边缘的节点进行存取，并可用於实现新的智能预测服务以及资产跟踪和管理解决方案。

透过精简元件、软体设计和布线可以降低系统成本。不再需要网路闸道。由於多个设备透过单对线缆连接到一条汇流排，因此使用的交换器端囗数量有所减少，而透过使用统一的介面和完善的安全机制可以降低风险。

（本文作者Henry Muyshondt为Microchip Technology汽车资讯系统业务部资深行销经理）