温度、压力、距离或光照等物理测量值被转换成数字信息供系统处理，然后计算结果被转换成阀门、风扇、电源、仪表等实际设备的物理动作。信息技术 (IT) 和运营技术 (OT) 网络往往使用类似的技术来促进整个组织的数据流动。.
拉近IT和OT距离的一种方法是使用单一底层网络来实现多个系统之间的通信。当电子技术最初进入自动化领域时，各种分布式子系统根据其所使用的硬件而各自独立发展。针对特定应用优化的通信技术也针对这些特定领域的硬件架构而制定。每种架构都使用专用总线进行通信，这就需要复杂的网关来转换不同硬件系统之间的通信协议。.
随着时间的推移，集中式软件定义架构正在取代过时的方法。电子接口不再是各自独立的域或功能，而是被分组到企业内部的各个区域，并连接到现代化的集中式计算平台。它们利用如今无处不在的以太网技术将数据传输到所需位置。以太网具有可扩展性。单个软件堆栈可以利用不同的物理硬件层，以不同的速度传输信息，而不会改变数据本身。无论给定以太网链路的带宽如何，都使用单一的以太网帧格式。以太网交换机会自动调整每个端口的数据传输速率。.
在网络边缘，各种传感器（温度、压力、光照、接近传感器等）从物理世界采集数据并将其转换为数字信息。处理完成后，执行器（电机、灯、风扇、阀门等）将数字数据转化为物理动作。这些设备通常不需要大量数据，但布线必须简单易用。10BASE-T1S 以太网技术正是为此类应用而开发的，它将以太网架构引入到非常简单的设备中。图 1 展示了这一技术发展趋势。.
硬件定义 软件定义
- 特定领域的硬件。- 连接到集中式流程的区域
- 多应用专用总线 - 无处不在的基于 IP 的以太网
- 分布式走道——一种打包格式
- 复杂布线——低成本、单对、多点边缘布线
图 1：网络趋势
10BASE-T1S 技术
以太网 10BASE-T1S 专为这些区域架构而开发。它通过单对平衡线缆以 10 Mbps 的速率运行。10BASE-T1S 技术基于 40 多年前以太网刚成为标准时所使用的简单机制，并对其进行了改进，从而更有效地利用了所有可用带宽。.
以太网最初使用单根同轴电缆，多个设备直接连接到该电缆上。如今广泛使用的交换机是后来开发的，旨在消除最初方案多点连接带来的缺陷。然而，交换机的出现也带来了复杂性和成本，并导致设备和交换机之间需要建立独特的点对点连接。.
最初的以太网的工作原理是利用多个设备检测它们所连接的线路，然后尝试传输数据。如果只有一个设备开始传输，它就可以发送一个完整的数据包。如果多个设备同时尝试传输，线路上就会发生冲突，所有设备都会检测到这种冲突。设备会关闭并在随机时间后重试。这项技术被称为 CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）。它的主要缺点是，随着连接到单线骨干网的设备越来越多，冲突也会越来越多，用于恢复和重试的时间也越来越长。链路的有效带宽变得非常有限。.
物理层冲突预防（PLCA）
以太网 10BASE-T1S 通过引入一种名为 PLCA（物理层冲突避免）的仲裁机制解决了这个问题。PLCA 专为 10BASE-T1S 等半双工和多点网络而设计，消除了 CSMA/CD 在多点链路中存在的问题。.
在PLCA协议中，传输周期始于协调节点（节点0）发送的信号，网络节点使用该信号进行同步。信号发送后，传输机会传递给节点1。如果节点1没有数据要发送，则将传输机会让给节点2，依此类推，直到每个节点都至少获得一次传输机会。然后，协调节点发起新的传输周期，发送另一个信号。.
为了防止节点阻塞总线，“jabber”功能会在节点传输时间超过规定时中断其传输，从而允许下一个节点进行传输。这样既不会影响数据吞吐量，也不会在总线上发生数据冲突。CSMA/CD 协议可能会因数据冲突而出现随机延迟。PLCA 协议提供了保证的最大延迟以及其他克服这些限制的功能。图 2 展示了 PLCA 的工作原理。.
图 2：物理层冲突预防 (PLCA)
安全
一旦从将数据从一个设备传输到另一个设备的线程中检索到数据位和字节，它们就会以标准的以太网数据包格式传递给更高层的软件。这种格式包含目标地址、源地址、一些管理位和有效载荷。该格式不会随着物理层的变化而改变。这意味着，即使网络速度发生变化，随着越来越多的数据被添加到计算机系统中进行处理，软件层也保持不变。图 3 展示了这一基本概念。.
图 3：从边缘到云端的以太网。.
与其在OT网络的端点使用多个总线和协议，不如使用以太网机制来连接这些设备。所有这些都可以使用成熟的以太网机制来实现。.
这包括防止数据入侵或间谍活动，甚至更严重的干扰使用数据的物理系统的安全机制。以太网被广泛应用于银行等高安全性应用领域，因为以太网的网络安全弹性已经非常完善。其他一些专用通信技术可能几乎没有或根本没有网络安全功能。它们需要开发和维护这些功能，并且还需要建立相应的物流体系。这种物流体系的复杂程度可能超过硬件产品的设计和制造。我们需要受控访问设施，而且信任链中的任何环节都可能出现漏洞。目前，能够胜任这项任务的半导体供应商寥寥无几。.
以太网是数据分析基础设施不可或缺的一部分。大数据用于分析趋势并提供服务。预测性维护、远程诊断和其他监控服务需要访问系统中的所有数据，而以太网可以提供对工业基础设施最偏远角落的访问。这与支持软件管理各种流程并随着技术发展进行动态调整相辅相成。.
功能安全
使用以太网等标准化技术也简化了功能安全系统的开发。功能安全是指当系统中的某个部件发生故障时，系统能够做出可预测的反应，从而安全地防止进一步的问题发生。不同行业有不同的标准。例如，汽车行业使用 ISO 26262 标准。工业应用使用 IEC 61508 标准。医疗、消费品和其他应用领域也有各自的标准。然而，这些标准大同小异。功能安全适用于整个系统，但系统设计人员必须确保他们使用的组件具有功能安全性，才能对整个系统进行认证。.
例如，半导体元件必须配备功能安全手册，用于分析和诊断故障模式的影响。这被称为故障模式、影响及诊断分析（FMEDA），是一种确定故障原因及其对系统影响的方法。它应用于系统开发的早期阶段，以检测和纠正任何缺陷。.
概括
10BASE-T1S 以太网技术为连接需要互操作性和安全性的 OT 和 IT 网络创造了新的商机。数据可以从网络边缘的节点访问，并用于实现新型智能预测服务以及资产管理和跟踪解决方案。.
通过简化组件、软件设计和布线，系统成本得以降低。网关被省去。由于多个设备通过单对线缆连接到同一总线，因此使用的交换端口数量也减少了。.
通过使用统一的接口和完善的安全机制，可以降低风险。10BASE-T1S 以太网是对物联网网络边缘传统解决方案的补充。它支持跨 OT 和 IT 网络各层级的统一设计、软件开发、测试和维护。更简洁的架构和更高的安全性降低了设计人员的风险，并实现了功能安全的系统。.
作者：亨利·穆伊松特， 微芯科技
