各式傳輸介面的影響並不只在消費性電子產品發酵而已，在工業用領域，由於各式設備的生命週期長、上下游連動密集，選擇適當的傳輸介面及標準更牽動著工業用網路的高效能傳輸。
工業網路與早期電腦通訊網路的發展歷程相當雷同。在電腦網路發展的初期，市場上出現了各式各樣的資訊交換型態，但卻沒有一種技術能同時滿足所有型態的需求。例如桌上型電腦應用程式的點對點通訊(P2P)會要求較快的網路回應；但像是檔案備份或系統升級等應用，要從資料庫伺服器到用戶端網路傳輸的情形下，則需要更大的時間容忍度，同時也會要求更好的資料精確度。
由於在實際設計通訊協定和系統時，會因為當下的產品和技術而受到限制；因此隨著技術的進步，產品和設備的設計與性能也隨之改進。
現在已進步到可透過不同媒介進行乙太網路(Ethernet)的連接，包括同軸電纜(Coaxial Cable)、雙絞線(Twisted Pair Wire)、光纖(Fiber Optic Cables)及無線網路等。
配合乙太網路不斷進化的技術，現在幾乎所有的電腦區域網路(LAN)都是以乙太網路為基礎。而隨著技術的持續改進，乙太網路的應用更為廣泛，像是電信級乙太網路(Carrier Ethernet)、都會乙太網路(Metro Ethernet)、第一哩乙太網路(EFM)和光纖到戶(FTTH)等。
拓撲架構影響工業網路甚鉅
 |
| 圖1 工業用網路連結程度複雜，因此拓撲架構的優劣更加影響運作效率。 |
與個人電腦網路發展類似的是，早期針對機器控制網路的即時性要求而開發的工業網路，均採用現有技術進行實際設計。透過RS232、RS422、RS485和其它低速串列連接(Serial Connection)方式，將各設備連接起來，進行控制、設定、監控和資料交換等工作(圖1)。通常網路終端設備都是直接連接到設備本身以進行控制、設定或監控。不過，隨著過程和設備變得愈來愈複雜，設備間的互動和資訊交換亦變得更為重要。由於所有製造商都希望能儘量提高其生產線的競爭力，因此自動化已成為工業上不可或缺的一環。而自動化過程中也有許多互相關連的問題須要考量，包括品質、安全性，以及製造過程和成本控制等。
無論是採用何種工業網路技術，最重要的還是選擇合適的拓撲結構(Topology)。這不只是為了符合安裝上的需求，更重要的是當產品和業務漸趨成熟時能將設施升級。包括設備本身的成本和安裝成本在內，大部分的系統都價值不菲，幸而這些系統的生命週期一般都有幾年甚至是幾十年，這也成為現行的設備升級勢在必行之因。
大部分現有的安裝設備都採用舊式方法來控制機器和程序，使得程序參數間的交換緩慢、精確度變低，也使得設備配置的複雜性增加，以及設備間的互動反應時間拉長。無論是升級或是安裝全新網路，最重要的就是必須達到工業強度(Industry Strength)的網路要求。所謂工業強度網路就是一種可提供迅速和靈活設備設定的網路，能夠符合現在與未來生產程序需要，並可提升速度、精確度、安全性和彈性上之要求。
網路技術各有所長
目前並沒有任何一種技術能夠滿足所有應用需求，但在不同的應用間其實隱藏著一些共通點，這包括資料須要供給指定的位置(設備和/或用戶)分享、高資料精確度、雙向通訊、高效率的安裝設定和維修、減少停機時間和控制整體成本(設備和操作人員)。
在工業網路的進化過程中，開發出不少僅針對特定目標應用的專有技術，導致市場出現混亂，難以斷定那一種技術才是最佳的工業網路解決方案。一般來說，以前的客戶都是按照當時的系統綜合要求及預算限制來選擇方案，但新一代的管理階級須要兼顧更多的問題，包括網路的相容能力、停機時間和維修及保養的難度等等。
為了整頓市場秩序，各個不同的標準制定組織聯合起來，共同制定專供工業用的網路介面和技術標準，一般稱之為專業匯流排(Field Bus)。這個標準化的最大好處是在不同供應商的設備間可提供互通性，當中只涉及最少的安裝改動。
此外，這些組織還特別針對不同的應用而建立了不少標準，常見的專業匯流排標準包括AS-Interface、CAN、裝置網路(Device Net)、EtherCAT、基礎專業匯流排(Foundation Field Bus)、HART通訊協定、工業乙太網路(Industrial Ethernet)、Interbus、LonWorks、Modbus、PROFIBUS/ProfiNet、BITBUS與CompuBus等。
儘管現時難以定論哪一種專業匯流排最適合工業網路，但撇開此問題不談，更重要的是相關設定可能只適用於某一種安裝，而每一種安裝都會有其適合的拓撲。換句話說，同一種設備在某情況下須要進行星狀(Star)配置，但在另一情況下時則可能是備援環狀(Redundant Ring)，而這個決定須取決於很多因素，包括通訊協定特性、安裝規模、環境、設備、安全性和成本等。
雖然，這裡有很多種類和組合，但基本上可分為四種拓撲，包括匯流排、菊鏈(Daisy-chain)、環狀(Ring)與星狀等。詳述如下：
|
|
| |
匯流排網路(圖2)是乙太網路最早期採用的拓撲技術，它包含一條主線或主幹，連接著設施的頭尾兩端。每當有新電腦放置在主線上時，便可在主線上加一個接頭或連結纜線。這種拓撲的好處是幾乎能在安裝範圍內的任何地方加裝設備，而毋須花太多時間預先進行布局規畫。
 |
| 圖 2 匯流排拓撲架構圖 |
但這種拓撲亦有其缺點，主要是它不能確保匯流排能成功被存取，因為頻寬會被網路上的設備分享。當一個設備須要傳送資料時，它必須在網路上等待一段時間才可將資料傳送出去。假如遇上同步傳送時，該機制便必須確保網上每一個設備在開始前停止傳送或中斷以容許頻寬能平均分配。這亦是多重存取/碰撞偵測(CSMA/CD)標準的基礎。可是，這種方法會在資料交換的延遲上產生很多變異，而這個問題對於大部分的工業網路都不能接受，因為它們都需要設備進行即時的互動。
此外，隨著在匯流排上加入新的連接，訊號的完整性亦會受到影響，在某些情況上，訊號完整性的下降足以使資料傳輸出現錯誤。 |
|
|
| |
在一個菊鏈拓撲(圖3)中，排第一個的設備會連接到伺服器或主控器，而第二個設備則會連接到第一個，以此類推，後面的設備將會連接到前面的設備。
 |
| 圖3 菊鏈拓撲架構圖 |
這個方法的最大優點是可隨時把設施擴充，只須把新加的設備簡單的連接到最後的一個即可，而電纜只須加長到及另一個設備便可，通常都不會很遠。
至於這個方法的最大缺點，便是當網路在途中任何一處中斷時，或當中有任何一個設備出現故障時，在中斷點下游的所有設備都會與伺服器失去聯絡。此外，接近伺服器的設備亦會影響通訊的延遲或甚至使鏈上較遠的設備癱瘓。除非在通訊協定中有建立更為複雜的公平存取機制，否則不能確保資訊能發送出去。
雖然它不是傳統的乙太網路拓撲技術，但只要在系統和控制軟體的設計花心思，都不失為一種有效和高效的網路控制拓撲。然而在處理一些例如是延遲變異的重要因素上，可以採用精確性高的產品和網路時間協定以為輔助。
在一個菊鏈拓撲中，有兩個外部網路埠和最少一個的內部資料埠。內部資料埠會來回地於設備和網路間提供資料和控制資訊，而其中一個外部埠會連接到上游或主控器上，至於另一個外部埠則會連接到下游的設備。當資料要在區內設備與主控器之間進行交換時，連接便會被配置成從內部資料埠連接到第一個外部埠，而當資料須要在網路的上游和下游間進行傳送時，裝置便會簡單地在兩個外部埠間建立一個連接，而途中不會經過內部資料埠。可是當在分離式硬體裝置(如中斷器和多工器)上實現這種資料路徑的轉換時，延遲和可靠性都會大大的受到影響。
通過使用控制軟體和演算法，能夠確保存取的公平性，而用於上游通訊連接的資料源可以從下游的設備或從區內連接著的設備中提取。這種功能可通過使用適當的產品在乙太網路的實體層實現。這些裝置能夠從內轉換資料路徑，使得菊鏈拓撲能夠有效和高效率地實現。通過將一個埠連接到上游的資料路徑，以及將第二個埠連接到下游的資料路徑，並決定那一個埠負責在媒體獨立介面(MII)上為區內的機器控制器提供來回的資料傳送，那麼便可有方向性地傳送資料。
假如資料不打算供給某一個設備，裝置可簡單地在另一輸出埠上複製或鏡像備份(Mirrors)這些資料。配合裝置內部的靈活資料路徑轉換能力，便可避免使用複雜的外部開關邏輯和多工硬體。 |
|
|
| |
 |
| 圖4 環狀拓撲架構圖 |
環狀拓撲(圖4)與菊鏈拓撲很相似，只是其鏈路的兩端會連到一個共同的埠上以形成一個環狀。不過對於標準的乙太網路來說，是不容許這種作法的。現代的標準乙太網路都要求兩端的節點通過一條單一及唯一的有效連接路線來通訊，雖然通常都會存在另一條路徑，但一般都會通過某些方法來將這些額外的路徑阻隔或設定成失效，這些方法包括路由列表、迴路偵測或是生成樹協定(Spanning Tree Protocols)。這種作法可消除廣播風暴(Broadcast Storm)出現的可能性。
廣播風暴等同於一個正增益的音效回饋迴路，它可能使得整個網路癱瘓。雖然這種拓撲不能應用到傳統的乙太網路產品上，但不少的供應商卻開發出一些能執行這操作的設備。
這種技術的最大優點是可為設備提供一個冗餘或後備的路徑。一旦在任何兩個設備間的網路連接出現中斷，資料便會經過後備的路徑橫越到下游的設備。這樣，在網路發生故障時，故障收復或轉換到另一條路徑的動作會迅速地完成。基於這個原因，大部分的工業網路都會選用這種安排。至於在設定上，一般都會把網路劃分成一個個環，將一組實際上或邏輯上有關連的設備連結到同一個環上，而另一組則連結在另一個環上。
然後，這些環會連接成一個更大的環上，而在某些點上，它還可連接到商業網路以執行過程或統計報告，以及為員工對網路或設備的監察提供支援。事實上，早期的同軸線乙太網路便是採用這種環狀拓撲作為互連方案。
工業網路的其中一個重要要求，便是當基本路徑發生故障時，能夠迅速地轉用後備的通訊路徑，而這要求已在環狀拓撲中實現。當路徑出現裂口時，在裂口其中一方的系統便會偵測得到，而本來在基本路線上接收的資料會被路由到第二條路徑上。 |
|
|
| |
 |
| 圖5 星狀拓撲 |
大部分在企業網路上運行的傳統電腦應用都沒有必要和固定的時間限制，只要資料交換能有效地完成，從一個系統到另一個系統的資料傳輸延遲可達數秒。此外，企業網路一般都設置在比較清潔和受控制的環境下，溫度和濕度都調節到人類感到舒適的程度。在這種環境下，只會有少數的污染物或機器活動能對網路的連線造成干擾。雖然有可能出現電磁干擾(EMI)，但在這些場合中很少會有大的發動機能產生足夠大的電磁干擾。因此，星狀網路拓撲(圖5)很適合使用在這些企業或辦公室環境。
在星狀網路中包含有一個中央位置，通常是一個伺服器或通訊房間，而每一個圍繞著它的電腦都有一條專線連接，因此當連接中斷時，例如有人不小心把接線鬆脫，便只會影響到該用戶。至於重要的伺服器連接，通常都不會設置在人多的地方，而接線會被安排沿著天花鋪設或在牆邊，以及配備有後備或冗餘的連接路徑，因為一旦這些連接出現問題便會影響到很多用戶。
由於使用在自動化製造過程中的控制環路比較嚴謹，故此工業網路的時間性一般都比較重要，或要求系統間的延遲能儘量精確。此外，網路亦要求有能迅速反應的冗餘或後備通訊路徑。對於星狀拓撲來說，由於它須要把每一台設備連接到中央，故此需要更多的電纜，這難免增加了成本，加上資料的傳輸路徑須要經過數個交換層，因此延遲也比較多，基於這些原因，星狀拓撲並不適用於所有的工業網路設施。
目前市面上已有產品能提供埠轉換功能，在星狀拓撲中實現重要資料連接所需的後備路徑。備援網路可通過把一個埠連接到基本網路，而把另一個埠則連接到第二個網路路徑上，並使用一個可迅速將資料重新路由到第二條路徑的裝置，或其至是把資料不斷鏡像備份到第二條路徑上。就如上述的情況，資料會通過IEEE 802.30標準定義的媒體獨立介面(MII)傳送到機器控制器，當中毋須再使用複雜的外部開關邏輯裝置。
基於特性、實體布局、網路的流量要求和技術的發展，很少有網路會以單一種拓撲方式來連接。對於某一個部分而言，採用星狀比較合適，而之後這部分可能會連接到一個環狀網路，最後又會以星狀的形式連接到另一個部分。在安裝一個網路時，有不少的參數須要在設計網路安裝前考慮，一些比較重要的問題包括：設備要求進行什麼樣的通訊？資料傳送所要求的頻寬是多少；傳送的頻率、資料單位的大小？那些設備須要分享資訊？這些資料是否須被監管或由操作人員處理？在資料交換上是否有時間性的要求？資料交換所要求的特性是什麼？
相關問題也包括：安裝的範圍有多大？安裝是否局限在一個房間、一幢大廈、一座校園或一個城市？ 這個安裝是否會一直維持在現有的範圍內？在設備端的問題則是，這個安裝的配置是否會定期更改？設備是否會定期由一個位置遷移到另一個位置？設備是否會定期升級？隨著業務變化，這些設備會否增加或減少？
另外，關於系統的問題，則必須留意，系統保養會如何進行？維修停機時間的可接受程度？升級停機時間的可接受程度？有什麼資源可用來作保養？設備可否用其他品牌取代？是否會定期進行檢查或維修？
從大環境來看，則必須了解，有什麼潛在的環境因素可能影響設備的通訊能力？溫度是否會保持固定，或有極大變化？環境是否潮濕？ 會否有實質污染物；油脂、塵埃或腐蝕性物質？會否有其他的污染物；電磁場、振盪或雜訊？在安裝區內是否有電磁放射問題？
而不能忽視的其他問題，也包括：有什麼安全因素須要考慮？操作人員、環境、設備與產品的安全問題？此外，除了上述問題外，還有很多須要考慮，而且不一定有絕對的答案。 |
工業網路拓撲安裝選擇多
在現實中，很少會有單一網路拓撲結構能符合一個安裝工程中不同程度的要求。因此，將環狀、星狀和菊鏈拓撲混合使用亦不失為一個最佳的方法，而關鍵在於選用一種能配合這些拓撲的基礎技術(如乙太網路)，並同時只須在不同的拓撲間進行最少量的資料操作。
採用成熟、易於理解和可信賴的網路技術不只可加快網路的設計和使安裝更可靠，且有大量的支援工具可供使用。此外，採用熟悉的網路技術還可為系統設計人員、設備製造商和網路安裝工程師和最終用戶帶來無限的方便和信心。
傳統資料網路的要求不外乎是連接距離夠遠、速度夠快和資料傳送夠可靠，但工業網路的要求則更為嚴格，包括環境、資料精確度、安全性和延遲。整體的系統延遲約莫是個別系統部分的延遲之總和。然而，通過採用高度精確的裝置和例如是IEEE 1588精密時間協定(PTP)之類的定時協定，可使系統的設計比起其他的更為精確，這對於那些時間就是關鍵的應用來說非常重要，因為這些系統對延遲的變異極為敏感。像是採用延遲精確零組件，便可大大地減輕系統設計的壓力和增加精確度。
系統綜合工程師的工作，是提出可符合大部分工業網路應用要求的方案，他們在選用零組件上必須十分小心，這些零組件必須能在有雜訊和長電纜連接的情況下有效地工作，而且功耗低和可抵禦惡劣的環境(溫度、濕度和電磁干擾)，並能在不同的媒介電纜上進行傳輸(光纖或雙絞線)。
此外，假如零組件可為系統設計工程師帶來更多的功能，以便用來進行網路連接除錯、監視和甚至是更重要的檢查、網路穩定性的維持和保養，便可有助減少生產線的停機時間。
(本文作者任職於美國國家半導體)