工業工廠長期以來一直使用數位資訊來監視和控制生產設施。工廠、資料中心和商業建築中的大型網路系統正不斷將數位資訊網路的邊界推向現實物理世界。像溫度、壓力、距離或光線這類物理測量數據被轉換為系統可處理的數位資訊，隨後計算結果再轉換為真實設備的實體動作，例如閥門、風扇、電源供應器、指示燈等。資訊技術（IT）和營運技術（OT）網路正趨向於使用類似技術，以便在整個組織內更順暢地傳遞數據。

將IT和OT更緊密結合的一種方法是使用單一底層網路在各系統之間進行通訊。當電子技術首次進入自動化領域時，各種分散式子系統根據所使用的硬體進行專門設計和定義。針對特定應用優化的通信技術則針對這些特定領域的硬體架構而定義。每個系統使用專門的匯流排進行通信，需要複雜的閘道器將通信協議從一種硬體系統轉換為另一種。

隨著時間的推移，集中化、軟體定義的架構正逐步取代過時的方法。電子介面不再是獨立的功能或領域，而是被劃分為企業內的區域，並連接到現代化的集中計算平台。它們利用如今普遍存在的乙太網技術將數據傳輸至所需位置。乙太網具有可擴展性，單一軟體堆疊可以使用不同的硬體物理層，以不同速度傳遞資訊，而不更改數據本身。無論乙太網連接的頻寬為何，都使用單一的乙太網框架格式，乙太網交換器會自動調整每個端口的數據傳輸速度。

在網路邊緣，各種感測器（例如溫度、壓力、光線、距離等）從實體世界中收集數據並將其轉換為數位資訊。經過處理後，致動器（例如馬達、燈光、風扇、閥門等）將數位數據轉換為物理動作。這些設備通常不需要大量數據，但重要的是佈線必須簡單且易於安裝。10BASE-T1S乙太網專為這些應用而開發，將乙太網架構應用於非常簡單的設備。圖一顯示了這一技術趨勢。

圖一 : 網路趨勢

10BASE-T1S技術

10BASE-T1S乙太網專為這些區域架構而開發。它以單對平衡線纜傳輸，速率為10 Mbit/s。10BASE-T1S技術基於乙太網在40多年前首次成為標準時所使用的簡單機制，並對其進行了增強，以更有效地利用所有可用頻寬。

乙太網最初使用單一同軸電纜，允許多個設備直接連接。如今廣泛使用的交換機是後來開發的，用以解決原始多接點方案所帶來的缺點。然而這些交換機增加了複雜性和成本，並導致設備與交換機之間需要單一的點對點連接。

最初乙太網的工作原理是各種設備檢測其所連接的線路，然後嘗試發送資料。如果只有一個設備開始進行發送，則可以發送完整的資料封包訊息。如果多個設備同時嘗試進行發送，則線路上將發生衝突，並且所有設備都會檢測到衝突。這些設備隨後將關閉，並在一段隨機時間後重試。

這項技術被稱為帶衝突檢測的載波偵聽多路存取（CSMA/CD），其主要缺點是隨?越來越多的設備連接到單線主幹網，將會發生更多的衝突，並且會浪費越來越多的時間進行退出和重試，鏈路的有效頻寬會變得非常有限。

物理層防衝突（PLCA）

10BASE-T1S乙太網透過引入一種名為PLCA物理層防衝突（PLCA）的仲裁機制解決了這一問題。PLCA專門設計用於10BASE-T1S等半雙工、多分支通訊網路，並且消除了多分支混合段中的CSMA/CD問題。

PLCA部署到位後，發送週期從協調器節點（節點0）發出信標開始，各網路節點使用該信標進行同步。發出信標後，發送機會將傳遞給節點1。如果節點1沒有要發送的資料，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。然後，協調器節點會發起一個新週期，並發送另一個信標。

為了防止某個節點一直佔用匯流排，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。最終結果是資料吞吐量不會受到影響，匯流排上也不會發生資料衝突。CSMA/CD可能會因資料衝突而產生隨機延時。PLCA可保證延時不會超過指定上限並提供其他相關特性，進而克服上述限制。圖二說明了PLCA的工作原理。

圖二 : 物理層防衝突—PLCA

安全

當從將數據從一個設備傳輸到另一個設備的線纜中恢復出位元組後，它們會被轉交給更高的軟體層，並以標準乙太網封包格式呈現。此格式包含目的地位址、來源位址、一部分管理位元和負載。該格式不會隨著物理層的變更而改變，這意味著即使網路速度隨著更多數據匯集到計算機系統進行處理而發生變化，軟體層也能保持不變。圖三展示了整體概念。

圖三 : 從邊緣到雲端的乙太網

可以使用乙太網機制來連接這些設備，而不必在OT網路的端點使用多種現場匯流排和協議，這些都可以使用易於理解的乙太網機制來解決。

這其中包括各種安全機制，用於防止入侵或窺探資料，更糟糕的還有干擾物理系統使用資料。由於乙太網極具彈性，因此可用於銀行業等安全性非常高的應用，其他專用通訊技術可能很少甚至根本沒有網路安全功能，必須從頭開發並進行維護。此外，還必須落實提供這些功能的物流保障，這可要比硬體產品的設計和製造複雜得多。不但針對設施的存取需要控制，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。

乙太網是資料分析基礎設施不可或缺的一部分。大資料用於分析趨勢並提供服務。預測性維護、遠程診斷和其他監視服務需要存取系統中的所有資料，而乙太網可以提供對工業基礎設施最遠範圍的存取。與此同時，軟體可以管理各種流程並隨?技術的變化實現動態調整，二者相輔相成。

功能安全

使用乙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，進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、消費性和其他應用都各自有標準，但基本上都大同小異。功能安全適用於整個系統，但系統設計人員需要確保使用的組件支援功能安全，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，該方法應用於系統開發的早期階段，以便檢測並糾正任何缺陷。

總結

OT網路和IT網路需要實現互操作性和安全性，而10BASE-T1S乙太網的出現為二者的結合創造了新的商機。資料可以從網路邊緣的節點進行存取，並可用於實現新的智能預測服務以及資產跟蹤和管理解決方案。

透過精簡元件、軟體設計和佈線可以降低系統成本。不再需要網路閘道。由於多個設備透過單對線纜連接到一條匯流排，因此使用的交換器端口數量有所減少，而透過使用統一的介面和完善的安全機制可以降低風險。

（本文作者Henry Muyshondt為Microchip Technology汽車資訊系統業務部資深行銷經理）