在讲以太网的主要缺陷前，有必要先了解一下以太网的通信机制。以太网是指遵循IEEE802.3标准，可以在光缆和双绞线上传输的网络。它最早出现在1972，由XeroxPARC所创建。当前以太网采用星型和总线 Mb/s或更高。以太网产生延迟的根本原因是冲突，其原因是它利用了CSMA/CD技术。在传统的共享网络中，由于以太网中所以的站点，采用相同的物理介质相连，这就从另一方面代表着2台设备同时发出信号时，就会出现信号见的互相冲突。未解决这个问题，以太网规定，在一个站点访问介质前，必须先监听网络上有无另外的站点在同时使用该介质。如果有则必须等待，此时就发生了冲突。为减少冲突发生的几率，以太网常采用1-持续CSMA，非持续CSMA，P-持续CSMA的算法2。由于以太网是以办公自动化为目标设计的，并不全部符合工业环境和标准的要求，将传统的以太网用于工业领域还存在着明显的缺陷。但其成本比工业网络低，技术透明度高，特别是它遵循IEEE802.3协议为各现场总线厂商大开了方便之门，但是，要使以太网符合工艺上的要求，还必须克服以下缺陷：

  由于以太网的MAC层协议是CSMA/CD，该协议使得在网络上存在冲突，尤其是在网络负荷过大时，越来越明显。对于一个工业网络，如果存在着大量的冲突，就必须得多次重发数据，使得网间通信的不确定性大幅度提升。在工业控制网络中这种从一处到另一处的不确定性，必然会带来系统控制性能的降低。

  在工业控制管理系统中,实时可定义为系统对某事件的反应时间的可测性。也就是说，在一个事件发生后，系统必须在一个可以准确预见的时间范围内做出反映。然而，工业上对数据的传递的实时性要求十分严格，往往数据的更新是在数十ms内完成的。而同样由于以太网存在的CSMA/CD机制，当发生冲突的时候，就得重发数据，最多能够尝试16次之多。很明显这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的。而且一但出现掉线，那怕是仅仅几秒种的时间，就非常有可能造成整个生产的停止甚至是设备，人身安全事故。

  由于以太网在设计之初，并不是从工业网应用出发的。当它应用到工业现场，面对恶劣的工况，严重的线间干扰等，这些都必然会引起其可靠性降低。在生产环境中工业网络一定要具有较好的可靠性，可恢复性，以及可维护性。即保证一个网络系统中任何组件出现故障时，不会导致应用程序，操作系统，甚至网络系统的崩溃和瘫痪。

  针对以太网存在的三大缺陷和工业领域对工业网络的特别的条件，目前已采用多种方法来改善以太网的性能和品质，以满足工业领域的要求。下面介绍几种解决机制：

  为了改善以太网负载较重时的网络拥塞问题，能够正常的使用以太网交换机(switch)。它采用将共享的局域网进行相对有效的冲突域划分技术。各个冲突域之间用交换机连接，以减少CSMA/CD机制带来的冲突问题和错误传输。这样做才能够尽可能的避免冲突的发生，提高系统的确定性，但该方法成本比较高，在分配和缓冲过程中存在一定的延时。

  我们知道当网络中的负载越大的时候，发生冲突的慨率也就越大。有资料显示当一个网络的负菏低于36%时，基本上不可能会发生冲突，在负荷为10%以下时，10M以太网冲突机率为每五年一次。100M以太网冲突机率为每15年一次。但超过36%后随着负荷的增加发生冲突的慨率是以几何级数的速度增加的。显然提高以太网的通信速度，就可以大大降低网络的负荷。幸运的是现在以太网已然浮现通信速率达100M/S，1G/S的高速以太网，在加上细致全面的设计及对系统中的网络结点的数量和通信流量来控制，可完全采用以太网作为工业网络。

  IEEE1588定义了一个在测量和控制网络中，与网络交流、本地计算和分配对象有关的精确同步时钟的协议(PTP)。此协议并不是排外的，但是特别适合于基于以太网的技术，精度可达微秒范围。它使用时间印章来同步本地时间的机制。即使在网络通信时同步控制信号产生一定的波动时，它所达到的精度仍可满足规定的要求。这使得它非常适合于基于以太网的系统。通过采用这种技术，以太网TCP/IP协议不需要大的改动就可以运行于高精度的网络控制管理系统之中。在区域总线中它所达到的精度远超于了现有各种系统。此外，在企业的各层次中使用基于以太网TCP/IP协议的网络技术有着非常大的优势。

  一个包括IEEE1588对时机制的简单系统至少包括一个主时钟和多个从属时钟。如果同时存在多个潜在的主时钟，那么活动的主时钟将根据最优化的主时钟算法决定。所有的时钟不断地与主时钟比较时钟属性，如果新时钟加入系统或现存的主时钟与网络断开，则其他时钟会重新决定主时钟。如果多个PTP子系统要互联，则必须由边界时钟来实现。边界时钟的某个端口会作为从属端口与子系统相联，并且为总系统提供时钟标准。因此这个子系统的主时钟是总系统的原主时钟。边界时钟的其他端口会作为主端口，通过边界时钟的这些端口将同步信息传送到子系统。边界时钟的端口对子系统来说是普通时钟。

  IEEE1588所定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步，使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信，进而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。由于高精度的同步工作，使以太网技术所固有的数据传输时间波动降低到可接受的，不影响控制精度的范围。IEEE1588的一大优点是其标准很具有代表性，并且是开放式的。由于它的开放性，现在已经有许多控制管理系统的供应商将该标准应用到他们的产品当中了。而且不同设备的生产商都遵循同样的标准，这样他们的产品之间也能够保证很好的同步性。

  随着以太网技术的快速地发展及它的80%的市场占有率和现场总线的明显缺陷，促使工控领域的各大厂商纷纷研发出对自己最合适工控产品且兼容性强的工业以太网。其中应用最为广泛的工业以太网之一是德国西门子公司研发的SIMATIC NET工业以太网。它提供了开放的，适用于工业环境下各种控制级别的不同的通信系统，这些通信系统均基于国家和国际标准，符合ISO/OSI网络参考模型。SIMATIC NET工业以太网主要体系结构是由网络硬件，网络部件，拓扑结构，通行处理器和SIMATIC NET软件等部分所组成。