什么是以太網(wǎng)高級(jí)物理層?以太網(wǎng)高級(jí)物理層有什么優(yōu)勢(shì)?

以太網(wǎng)的故事始于ALOHA時(shí)期，以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)上無(wú)線電系統(tǒng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的想法。為增進(jìn)大家對(duì)以太網(wǎng)的認(rèn)識(shí)，本文將對(duì)以太網(wǎng)以及以太網(wǎng)高級(jí)物理層予以介紹。如果你對(duì)以太網(wǎng)或者對(duì)本文內(nèi)容具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是現(xiàn)實(shí)世界中最普遍的一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)有兩類(lèi)：第一類(lèi)是經(jīng)典以太網(wǎng)，第二類(lèi)是交換式以太網(wǎng)，使用了一種稱(chēng)為交換機(jī)的設(shè)備連接不同的計(jì)算機(jī)。經(jīng)典以太網(wǎng)是以太網(wǎng)的原始形式，運(yùn)行速度從3~10 Mbps不等;而交換式以太網(wǎng)正是廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)，可運(yùn)行在100、1000和10000Mbps那樣的高速率，分別以快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)和萬(wàn)兆以太網(wǎng)的形式呈現(xiàn)。

以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型拓?fù)?，但快速以太網(wǎng)(100BASE-T、1000BASE-T標(biāo)準(zhǔn))為了減少?zèng)_突，將能提高的網(wǎng)絡(luò)速度和使用效率最大化，使用交換機(jī)來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和組織。如此一來(lái)，以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就成了星型;但在邏輯上，以太網(wǎng)仍然使用總線型拓?fù)浜虲SMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即載波多重訪問(wèn)/碰撞偵測(cè))的總線技術(shù)。

以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)上無(wú)線電系統(tǒng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的想法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須獲取電纜或者信道的才能傳送信息，有時(shí)也叫作以太(Ether)。(這個(gè)名字來(lái)源于19世紀(jì)的物理學(xué)家假設(shè)的電磁輻射媒體-光以太。后來(lái)的研究證明光以太不存在。) 每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有全球唯一的48位地址也就是制造商分配給網(wǎng)卡的MAC地址，以保證以太網(wǎng)上所有節(jié)點(diǎn)能互相鑒別。由于以太網(wǎng)十分普遍，許多制造商把以太網(wǎng)卡直接集成進(jìn)計(jì)算機(jī)主板。

二、以太網(wǎng)高級(jí)物理層

1、從單對(duì)以太網(wǎng)到高級(jí)物理層

隨著工業(yè)領(lǐng)域各種傳感和控制功能的更新迭代，對(duì)連接的要求是越來(lái)越高，挑戰(zhàn)越來(lái)越大。傳統(tǒng)的一個(gè)以太網(wǎng)連接可能需要多條用于快速100 Mbps以太網(wǎng)的導(dǎo)線，即便如此可能也不能保證各種數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行即時(shí)的交換。單對(duì)以太網(wǎng)解決了此類(lèi)挑戰(zhàn)，并迅速在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用上發(fā)揮出它經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)勢(shì)。單對(duì)以太網(wǎng)作為一種能夠在短距離內(nèi)只需一對(duì)絞銅線即能以高達(dá)1Gb/s速度連接的技術(shù)，它能同時(shí)進(jìn)行雙向通信，并借助PoDL實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與電力的傳輸。

基于單對(duì)以太網(wǎng)的增強(qiáng)物理層，Ethernet-APL(advanced physical layer)，是一種新興的以太網(wǎng)高級(jí)物理層。以太網(wǎng)高級(jí)物理層根據(jù)10BASE-T1L(IEEE802.3cg-2019)以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)，直接將單對(duì)以太網(wǎng)100m的限制拉長(zhǎng)到1000m，通信速度最高可以達(dá)到10 MBit/s?？梢园岩蕴W(wǎng)高級(jí)物理層Ethernet-APL看作單對(duì)以太網(wǎng)的進(jìn)一步拓展，支持EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他更高級(jí)別的協(xié)議，進(jìn)一步解決以太網(wǎng)在實(shí)際使用中遇到的挑戰(zhàn)。

2、高速率之外，高級(jí)物理層還有哪些優(yōu)勢(shì)

概括來(lái)看，以太網(wǎng)高級(jí)物理層增加了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的通用性和通信速度。通信速度上增強(qiáng)很明顯，而通用性不僅僅是說(shuō)以太網(wǎng)高級(jí)物理層支持任何基于以太網(wǎng)的自動(dòng)化協(xié)議，而且還解決工廠場(chǎng)景中惡劣的環(huán)境條件所造成的具體需求。

以太網(wǎng)高級(jí)物理層兩種幅度模式，一種是1000m線纜的2.4V峰值，一種是縮短距離的1.0V峰值。1.0峰值模式下，以太網(wǎng)高級(jí)物理層滿(mǎn)足嚴(yán)格的最大能量限制，符合Zone 0本質(zhì)安全應(yīng)用需求，可以在極端惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作。這一通用性是很難做到的。

和其他通信標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，帶寬上10BASE-T1L的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)很明顯了，功率上Ethernet-APL也大大解放了4 mA至20 mA的功率限制。Ethernet-APL在Zone 0應(yīng)用中可以提供高達(dá)500 mW的功率(最高60W)，其他標(biāo)準(zhǔn)很難抗衡。

從整個(gè)通信系統(tǒng)的完整性，互通性來(lái)看，以太網(wǎng)通過(guò)在高級(jí)物理層上的融合，可以取代掉昂貴、復(fù)雜且耗電的網(wǎng)關(guān)，原本分散的基礎(chǔ)設(shè)施，分散的信息孤島，分散的數(shù)據(jù)訪問(wèn)在此契機(jī)下被全部整合在一起，對(duì)于工業(yè)通信來(lái)說(shuō)這是很高效益的選擇。

3、實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)高級(jí)物理層的器件

要與支持 Ethernet-APL 的設(shè)備通信，需要具有集成介質(zhì)訪問(wèn)控制MAC的主機(jī)處理器或具有 10BASE-T1L端口的以太網(wǎng)交換機(jī)。這就少不了適用于單對(duì)以太網(wǎng)的PHY和MAC-PHY的身影。一般這種PHY都會(huì)集成MAC接口，可通過(guò)串行外設(shè)接口SPI與各種主機(jī)控制器直接連接。

，PHY集成所有相關(guān)的模擬電路、輸入和輸出時(shí)鐘緩沖、管理接口控制寄存器和子系統(tǒng)寄存器以及MAC接口和控制邏輯，用以支持Ethernet-APL過(guò)程自動(dòng)化帶來(lái)長(zhǎng)距離、穩(wěn)健的10BASE-T1L以太網(wǎng)連接。

換另一個(gè)器件的角度來(lái)看，以太網(wǎng)連接器也是影響高級(jí)物理層最終傳輸效果的很重要的一類(lèi)器件。以太網(wǎng)高級(jí)物理層組織定義的連接器標(biāo)準(zhǔn)是允許線纜接線到螺旋式或彈簧夾端子，從而通過(guò)密封套連接電纜進(jìn)入的。在這類(lèi)連接器上，目前常見(jiàn)的有螺紋型、推拉自鎖型和快速推鎖型。以太網(wǎng)高級(jí)物理層是數(shù)據(jù)與電源混合傳輸?shù)?，因此必須要做到金屬屏蔽分離，以避免功率信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)的干擾。

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