自 1970 年代中期成立以来，以太网技术在业内的采用不断发展。 传统上，以太网的使用仅限于数据中心，并长期服务于各家公司的台式 PC 基础设施。 如今，五十多年过去后，以太网现在已经是我们家庭、零售店、工业厂房、办公室、电信基础设施甚至汽车中占主导地位的有线网络技术。

本文将回顾以太网技术从新兴的 IT 计算机网络时代一直到如今的兴起过程，探讨它在运营技术 (OT) 和汽车应用方面的进展，并深入研究SPE、TSN over SPE、IOLINK over SPE、PoE和PoDL等一些最新的动向。

以太网：坚实的基础和标准化之旅

若想精确界定计算机网络何时开始并不容易，然而，在上世纪60 年代的微型计算机时代（mainframe era），通过在电话线上使用越来越可靠的脉冲编码调制 (PCM) 能够支持更多的远程访问服务。 1969 年，阿帕网项目（ARPANET project）将四台美国大学计算机连接在一起。随着 70 年代小型机时代的到来， DEC 和 Data General 等公司也随之诞生。然而，随着这个新兴的个人电脑市场兴起，也形成了激烈的竞争。

以太网的概念最初是在 70 年代中期来自于 Xerox PARC，其名称由博士生罗伯特·梅特卡夫（Robert Metcalfe）提出，并由施乐公司注册商标。那个时代见证了许多不同的网络拓扑和协议，它们都在努力争夺市场占有率和商业成功。 Xerox 在 PARC 部署了以太网，并于 1980 年向市场推出了 10 Mbit/s 协议。以太网是众多网络协议之一，后来3COM 的创建者Metcalfe 设法说服 DEC、英特尔和施乐在以太网技术上共同协作来制定标准，这一举措极大地促进了以太网的早期成功，并且 3COM 为 IBM PC 推出的以太网卡确保了该协议的未来成功。

图 1：以太网速度的快速提高。（来源：以太网联盟）

1985 年，IEEE 将以太网标准确定为 802.3，这项技术随着带宽提高和物理介质的改进而继续发展。最初，以太网在总线拓扑中使用同轴电缆，但使用交换机和非屏蔽双绞线电缆的星形连接方法很快变得流行起来。以太网带宽可提供高达 400 Gbits/s，参见图 1。

大多数以太网应用凭借四根 UTP 电缆实现 100Mbits/s 和 1Gbits/s速率，通过 RJ45 插头和插座进行互连。

以太网的广泛采纳、巨大弹性和灵活性也在驱动这一技术在传统信息技术领域之外进一步采用。图 2 仅说明了以太网广泛应用的一部分。

图 2 ：以太网的世界不再仅限于 IT 应用。（来源：以太网联盟）

用于运营技术的以太网

随着工业 4.0 等行业效能改进计划的兴起，用以太网技术支持生产资产的连接需求只是时间问题。然而，工业领域不同于办公室、数据中心或家庭环境，其部署可能会遇到严苛的环境条件、振动、流体和电噪声等。工业领域可用空间也很紧张，控制柜和电缆导管空间非常宝贵。因此，限制因素是流行的四对 UTP 对电缆的直径、重量和弯曲半径。工业技术部署的另一个方面是如何为此类设备供电，以太网可以使用四根 UTP 电缆提供电源 (PoE)，但需要一种全新的方法。

2019 年，千兆单对以太网 (SPE) 标准被确定为 IEEE 802.3bp 1000BASE-T1。使用单根非屏蔽双绞线，支持 15 米的链路长度。改为屏蔽双绞线可提供更好的 EMI 保护，同时可将最大允许链路长度增加到 40 米。 SPE 电缆直径明显更小，比默认的四对 6 类以太网电缆重量轻约 60%，为工业应用提供了完美的解决方案。

随着网络协议和电缆限制问题的解决，我们把焦点转向连接器布置。 RJ45 完全不适合工业应用，如果没有任何可靠的密封方法，湿气、灰尘和其他污染物很容易破坏网络连接的电气特性。 2020 年 3 月推出的 SPE 连接器标准 IEC 63171 定义了一套规范，以促进不同工业连接器的使用，包括流行的圆形 M8 和 M12 格式。图 3 所示为一些适用于屏蔽和非屏蔽电缆的 SPE 连接器类型。

图 3：符合 IEC 63171-1 到 IEC 63171-6 的 SPE 连接器选择类型。（来源：单对以太网系统联盟）

IEEE 802.3bu 和 802.3cg 中定义了对以太网供电的支持，被称为数据线供电 (PoDL)，可提供 15 种不同的电压、电流和电缆直径组合，能够为终端设备提供最大 52 瓦的功率。图 4 突出显示了 PoDL 的范围。

图 4 ：数据线供电 (PoDL) IEEE 802.bu 和 IEEE 802.cg 分类。（来源：单对以太网工业合作伙伴网络）

SPE 标准未来将会继续发展以支持更广泛的应用，包括允许传输传统工业协议（如Fieldbus），也可引入时间敏感网络 (TSN)。 TSN 为以太网增加了确定性的实时功能，这是许多工业自动化应用现在所需的特性。

用于车载网络的以太网技术

另一个与工业应用有类似限制的市场是汽车。尽管两种应用非常不同，但我们的车辆面临不断增加的压力，需要部署更多电子技术，包括更大的电缆重量和对更高数据带宽不断增长的需求。更复杂的信息娱乐系统、半自动和全自动驾驶、高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 等都是新技术的应用案例。在过去十年中，随着领先的汽车制造商转向开发电动汽车，汽车的重量更成为一个重要问题。

车体重量能够影响续航里程和有效载荷能力，因此需要采取许多措施来减轻重量。其中一种方法是使用区域架构（zonal architecture）连接车辆中的许多系统。例如，我们可以考虑驾驶员车门内的功能，车辆后视镜含有控制装置，一些还包含盲点检测系统后视镜、车窗执行器和控制装置、信息娱乐系统扬声器、防碰撞传感器以及车门打开和锁定装置等。从历史上看，这些执行器、传感器和控制装置的接线被布置到发动机舱或机舱内的电子控制单元 (ECU)。区域架构是把这些系统组合在一起，将单个 ECU 放置在门内，只需要电源和网络连接。这种方法可以显著降低相关电缆线束的复杂性和重量。

如图 2 所示，汽车以太网市场正在成为一个重要的成功案例。单对以太网具有支持实施车载网络 (IVN) 区域架构的所有特性，从而减轻所有设备连接的重量和成本。

OPEN 联盟（OPEN Alliance）是一个由领先汽车制造商和供应商组成的机构，它提倡使用 1000Base-T1 标准的单（单对）双绞线以太网。图 5 突出显示了这种技术可用于连接现代车辆中的关键功能系统。

图 5：单对以太网可提供一种连接多个车载系统的轻量级、快速和直接的方法。（来源：OPEN Alliance）

用于零售和楼宇自动化的以太网

受益于以太网功能的另外两个市场是零售和楼宇自动化。以太网的性能和高弹性使其成为连接销售点（PoS）终端、房间占用传感器和照明控制单元的理想选择。实际中，并非每种应用都需要以太网的高带宽能力，但是，许多应用都会使用以太网供电 (PoE)功能。为 PoS 终端或以人为中心的照明控制器提供直流电源，并使用标准的四路 UTP 单以太网电缆将其连接到网络，具有极大的灵活性和便利性。其他应用案例包括连接闭路电视摄像机、信用卡终端和 HVAC 控制等，还可以为它们供电。

电力一般通过支持 PoE 的网络交换机或通过专用 PoE 注入器进入以太网对。所有向网络供电的设备都称为电源设备 (PSE)，用于向受电设备 (PD) 供电，这些受电设备也称为端点。安全摄像头或现金终端等许多受电设备都是专门为支持PoE 而设计，它们包含一个电路，用于从数据中分离 DC 电源。传统设备可能需要外部 PoE 分离器。

第一个 PoE 标准 802.3af 于 2003 年发布，能够在受电设备端提供最大12.95 瓦的功率。该方法使用 Cat5e 电缆四对双绞线中的两对来进行电力输送。

为了能够按照类型和等级定义来确定供电能力，PoE也在迅速发展。最新的 PoE 标准是 802.3bt（参见图 6），它使用所有四对 Cat6A 以太网电缆。每种类型都定义了一组输入电压和电流限制，以实现所需的功率。

图 6：以太网供电的演变展示了最大负载功率传输能力，（来源：贸泽电子）

IEEE 802.3bt 规定每个 PSE 以太网端口的输入功率限制为 100W，这样可以为PD提供最大71W的功率，超过 LED 灯具照明所需的供电能力。

以太网将继续提供强大而有弹性的网络

在过去的四十多年里，以太网从不起眼的开始发展成为一种主导的网络协议。但它如今并没有停止的迹象，其发展动向包括具有更高的带宽和使用光纤作为替代媒介。 对于电子工程师而言，以太网的持续采用提供了许多新机会，可以将连接性和供电的便利性融入新设计。 例如，是否可以使用以太网为新的工业产品设计供电，从而无需电池或线路电源？ 在某些家庭环境中，Wi-Fi 信号强度变化很大，所以也许使用有线以太网连接到路由器会使具体应用运行更可靠、更安全？

一旦您决定采用以太网技术，看似注定都将喜迎一个激动人心的未来。