一般工業網路和辦公室或家庭網路的應用環境不同，工業網路必須採用更加穩定和耐久的元件產品，同時這些元件要能夠適應更大的溫度範圍以及更惡劣的工作條件。工業網路的運作環境充斥著來自高壓電線中既高又強的電子雜訊、會產生電磁波干擾的電動設備，以及頻繁的振動和衝擊，因此工廠自動化的設備必須依賴可靠的連接功能及網路線加以連結，除必須遵循標準的自動化網路通訊協定，還要確保網路可以全天候無故障營運。
雖然現有乙太網路的環境應用採用碰撞偵測為基礎(Collision-based)的非確定性通訊協定，但大多數工廠自動化和自動控制，都將乙太網路設定改採確定性回應時序的協定，這種做法在工業自動化和控制領域裡造成專屬的網路模式。2002年推出的時序同步協定標準IEEE1588規格就為網路化測量和控制系統提出一項精確同步的通訊協定，滿足此項確定性回應的需求，且此設計規格已廣泛地運用於各類即時性工業乙太網路通訊協定市場中。
拓撲架構從匯流排轉向星形
過去20多年來，乙太網路本身已經由原本僅支援載波感測多重存取碰撞偵測協定(CSMA/CD)的半雙工通訊協定，演進成為全雙工網路。由於乙太網路被應用於區域網路(LAN)用途，因此從共享式媒體匯流排拓撲，逐步發展為星形/集線式(Star/Hub)拓撲架構。在1980年代初期，最早被採用的商業化傳輸媒介是一種黃色銅軸電纜，也就是阻抗為50歐姆的粗型同軸電纜。但不久後，這種電纜就被低成本的細型RG58電纜所取代，後者就是我們所熟悉的細型銅軸電纜，在市場上又被稱為Thinnet、Cheapernet或細型乙太網路纜線。
到了1980年代中期，建置媒介成本進一步降低，使得乙太網路成為電腦網路的首選媒介，其中每個節點採用BNC(以設計者Bayonet Neill Concelman的姓名首字母縮寫命名)T型同軸電纜連接器的10Base-2網路(IEEE802.3a規格)，傳輸距離為185公尺。細型電纜匯流排支援多重分接式拓撲，在相反端採用一個50歐姆的插座進行端點連接，每個多重分接節點之間的線纜最小間距必須大於50釐米(圖1)。在實體層上，採用一個碰撞偵測電路監控同軸電纜的直流準位，如果所測得的電平超過碰撞偵測臨界值，同軸電纜實體(PHY)層收發器將啟動碰撞偵測訊號輸出，因為同軸電纜的匯流排拓撲可以支援半雙工共享式媒體，速率為10Mbit/s，其效能足以滿足網路卡(NIC)在AT系統或個人電腦上的ISA匯流排的互連要求。
至90年代初期，就從最基本的共享式區域網路拓撲演變為現今所普遍採用的架構，區域網路拓撲的兩個主要演進關鍵點為︰
在區域網路開關器問世以前，集線器或中繼器一直肩負著支援架構化UTP建置的互連集中處理的重任，一個典型的24埠中繼器可以在單一碰撞域支援24個埠。配線架上的電纜束一般包含50根電纜，因此一個頻寬為10Mbit/s的典型24埠區域網路中繼器，能夠和辦公室工作環境中使用的團體電話開關器 (PABX)共同分享一套綜合式建置系統，同時支援數據和語音通訊的功能。
1995年時，100Base-T或快速乙太網路(Fast Ethernet)面世，為現有10Mbit/s網路的順利演進創造生機，這種技術提供自動協商的創新概念，即10/100Base-T實體層晶片能夠以嵌入在快速連結脈波(FLP)中的16位元模式交換狀態封包，因而決定數據速率，並且自動適應兩條Cat5電纜連結中的最高速率。在實體層晶片上，同類碰撞偵測電路將檢測發送(TX)和接收(RX)差動線對的同步收發活動，混合網路就能夠輕鬆支援已有的10Mbit/s和新增的100Mbit/s連接。
雖然100Mbit/s乙太網路和10Mbit/s乙太網路一樣基於CSMA/CD的原理發展而成，但是共享的媒體架構並不能實現10倍的效能提升，原因是每個用戶端可以使用的最大頻寬和網路節點的數量呈現反比關係，而且歸咎於CSMA/CD網路接入的控制方法，網路時序延遲總是不斷變化。
藉由中繼器避免延遲碰撞
碰撞域以往經常被定義為一個共享的媒體架構，可以支援由任何數量的中繼器連接多個節點，然而在100Mbit/s的網路中，碰撞域要求來回傳輸的時序延遲不得超過規定的時間間隔512位元，也就是5.12微秒。這暗示著，一個資料封包要穿越網路和另外一個封包發生碰撞需要更長的時間，其最終結果就會發生碰撞，並且將這種狀態發送至原始的來源端。如果網路中發生碰撞，所有的節點都可以偵測到這一項碰撞，但是如果時間超過512位元，而原始節點在發送本身的 512位元之前，不曾檢測到碰撞，結果就會導致網路中的延遲碰撞故障。100Base-T網路的傳輸距離為210公尺，借助於100Mbit中繼器，可以計算時間來預測限制，以確保不會發生延遲碰撞。計算方式如下︰
當考慮到位元預測的限制時，在一個碰撞域中最多只能配備兩台中繼器，兩個中繼器之間的連結距離不得超過5公尺，唯一的例外是透過和內接中繼器匯流排的內部背板互連的堆疊式中繼器。這些中繼器採用模組化架構，具備可擴充性，但是所有互連埠將位於同一個碰撞域中。
一類和二類中繼器已在IEEE802.3u規格中進行定義，結果形成拓撲差異，一類中繼器的時間預算更加充裕，在所處的碰撞域中僅支援一台中繼器，並且允許堆疊式中繼器存在更長的預計延時(圖2)。而二類中繼器的時間預計相對比較緊湊，可以透過第二個中繼器的埠與埠互相連接支援兩台中繼器(圖3)。
中繼器一般為實體層設備，其作用是放大或再產生訊號，通常採用半導體供應商的現貨組件裝備，中繼器的處理器也可以採用現場可編程閘陣列(FPGA)或專用積體電路(ASIC)訂製設計。
儘管如此，以100Mbit/s速率連接100Mbit/s收發器，仍須採用積體電路廠商的現有解決方案。10/100Mbit中繼器是90年代中期普遍採用的一種互連設備，如果幸運的話，還可以在拍賣網站上找到這樣的古董。
由於位元預計的限制、非確定性和共享式碰撞域的障礙，這類集線器/中繼器不能夠完全滿足工業自動化應用的要求。從下文中將可以了解，Powerlink乙太網路技術借用這類型拓撲中的某些集線器/中繼器元素，和資料連結層中主要的時間控制差異。
乙太網路開關器增強網路效能
幸運的是，隨著交換式區域網路拓撲的演進，如今已可提供多區段埠的應用，而且每一個埠都有自己獨立的碰撞域。在單一拓撲的狀態下，乙太網路開關器的一個埠可以被連接至一台二類中繼器，從而對中繼器的埠進行分段，以共享單一碰撞域(圖4)，結果能夠擴展每個交換網路段的埠數量。
乙太網路開關器是一種智慧型橋接設備，能夠支援多個採用第二層媒體存取控制器(MAC)位址的埠(圖5)，而每個埠包含一個MAC，後者能夠停用一般用於推行發送的載波感應功能，以及通常允許發射器丟棄、填充和重發資料封包的碰撞偵測功能。
這種內在的能力形成一種只能在一個區域網路段連接兩台設備的網路拓撲，從本質上來說，由於具備支援在無碰撞環境中同時發送和接收資料封包的功能，即以彼此分離的發送和接收線對為基本，網路的傳送量得以倍增。網路效能的增強，有助於降低開關器和節點之間的傳輸等待時間，例如一台典型的24埠10/100乙太網路開關器能夠支援24個獨立的全雙工碰撞域。
隨著辦公室環境中互連的電腦系統和伺服器的速度不斷加快，乙太網路規格的本身已經歷多次10倍的速率提升，在工業自動化領域實施毫秒級等待時間的同時，10/100Mbit乙太網路被市場廣泛採用。
但是以技術性來說，要以提升乙太網路的速度來降低時序延遲，並不是實施確定性等待時間回應的萬靈丹，更重要的是實現具有可重複性等待時間值的可預測確定性回應。
當對乙太網路開關器的內部進一步分析可發現，埠所接收的資料封包數量可能超過使用頻寬，結果將導致擁塞，引起非確定性的時序延遲，工程師為了快速解決這個問題，區域網路開關器的設計須倚賴智慧型MAC，智慧型MAC能夠在協定層處理丟棄資訊框(Frame)。處理丟棄資訊框的技術之一是對資料封包進行優先排序，將它們納入不同的優先佇列，這樣的話，如果某個較優先的埠被選中，就能實現一定程度的確定性回應，但是不幸的是，其他較低優先的埠仍然存在非確定性的等待時間問題。
另外一種技術是流量控制，在這種技術中，MAC發送一個用於全雙工交換式網路的隱性暫停資訊框，經過進一步分析後，控制資訊框暫時釋放內存受限系統的過載擁塞，接收端收到暫停資訊框指令後，停止一段時間，而暫停時間為訊息中規定的時間。
任何規格化乙太網路MAC都不能向接收方保證資料封包的送達，因為暫停資訊框有可能被錯誤碼破壞，而且接收方無法獲知已發送資訊框的情況。此外，暫停資訊框指令可能需要某種更高級的通訊協定控制政策，以及暫存臨界值，例如高限標誌，何時發送暫停資訊框指令取決於內存臨界值是否已經被超過，反之，如果內存臨界值降低至低限標誌以下，暫停資訊框指令將被取消。由於存在許多時序延遲變量，這類技術對實現即時確定性回應幾乎沒有幫助。
第三種控制暫存過載的技術是所謂的背壓技術，其中MAC主動、強制性地讓傳入資訊框形成碰撞，雖然這種技術可以防止緩衝器溢出，但是副作用是終端機須要計算呈幾何成長的後退算法，也就是說，對快速乙太網路和目前的碰撞而言，每5.12微秒增加一倍，結果這種技術同樣招致非確定性等待時間。
光纖網路使用環形拓撲
除了銅纜媒體外，光纖骨幹網路也逐步應用於更長的傳輸距離和更強的抗雜訊性能的工業乙太網路系統中，而且光纖傳輸不受高壓發電機和電動控制設備所產生的各類電磁干擾(EMI)的影響。這種網路採用雙環拓撲，具備自癒功能，類似90年代中早期用於連接乙太網路子網的光纖分布式數據介面(FDDI)技術(圖 6)。
如果區域網路開關器的骨幹網採用光纖電纜，光纖連結故障時就會把網路分割為不同的區段，結果將導致沒有通訊連結可用，開關器故障能將網路分割為不能互通的網段。為了克服光纖連結故障問題，區域網路開關器可採用環形拓撲；兩條光纖連結以冗餘模式進行配置，從而形成一個容錯型網路，工業乙太網路也採用類似的環形拓樸，以減少單點故障，實現網路的重覆備援性能。
設計工業用乙太網路
過去30多年來，Fieldbus技術在工業自動化領域中被廣泛地應用於連接各類現場設備，像是感測器、執行器、可編程邏輯控制器(PLC)、電動控制器與其他I/O設備等，Fieldbus規格包括As-介面、CAN、DeviceNet、Foundation Fieldbus、Hart通訊協定、工業乙太網路、Interbus、LonWorks、Modbus及Profibus等。Fieldbus是一個相當廣泛的術語，已經逐步發展成為一種以IEC61158為基礎的「寬鬆的規格體系」。
IEC61158的規格採納多家廠商的特定解決方案，提出以下8種數據連結層協定︰
近年來，工業自動化和控制客戶圍繞現有的Fieldbus網路對乙太網路進行改造，所有這些通訊協定通常設有一個位址檔頭，緊隨在後的是某些功能代碼、資料欄位和查驗總和等。Fieldbus封包能夠被輕鬆封裝在諸如使用者資料段協定(User Datagram Protocol, UDP)等IP封包中(表1)。
利用IEC 61000-4-2測試CDE
另外一種常見的靜電釋放是電纜釋放事件(CDE)，對Cat5電纜建置而言，CDE的源頭是電纜上累積的電荷，形成的機理是摩擦起電效應和感應。類似於電容器，電纜可能穿透地毯鋪設，摩擦效應產生累積電荷。目前還沒有提出有關CDE及其試驗方法的標準，但是CDE能量通常低於IEC 61000-4-2(表2)第4級威脅，製造商完全可以利用該級規格對CDE放電進行測試。電纜的遠端和近端都必須添加保護電路，發射和接收線對也必須採用保護電路，防止電纜遠端或近端突波和放電(圖7)。
加裝ESD電容器保護電路
同樣地對工業乙太網路而言，連接主/從設備的發射和接收線對電纜的兩端也必須採用保護電路，出於以降低成本為目的和一種最低的基本要求，可以只在發射側採用保護電路，因為相對於在電纜兩端的接收線對不採用保護措施而言，該側對ESD更為敏感。乙太網路中的脈波變壓器可防止共模暫態電壓。
高能暫態應當有一個對地的釋放通道，建議之一是在線測中心分接頭和機架接地點之間連接一個2,000伏特(V)的ESD電容器，這段連線應盡可能短，以避免招致高電壓，並且影響實體層收發器件的電感。某些乙太網路實體層設備的ESD額定值為4,000伏特，可能不要求加裝ESD或CDE保護電路，具體上取決於客戶是否嚴格遵循IEC 61000-4-2第二或第四級標準要求。
箝制特定電壓
暫態電壓抑制(TVS)二極體已被電信行業廣泛用作箝制特定電壓的一種模式，採用3.3伏特電源軌的差動實體層收發器，要求採用低電容和低電壓TVS二極體保持訊號完整性和箝制在低3.3伏特電壓軌的能力。低電容二極體陣列將暫態電壓疏導至電源的正側或地，低電容TVS二極體陣列能夠提供IEC 61000-4-2規格所要求的高速數據保護。
自動檢驗排除故障
第三個設計考慮事項是在不添加任何硬體的情況下，支援自動檢驗、提供電纜和連結診斷即時狀態訊息的能力，晶片上時域反射(TDR)脈波產生器能夠在電纜上發送一個脈波訊號，基於其內在數位訊號處理器(DSP)的計算能力，可得出反射脈波值，從而判定常見的電纜故障，例如短路、開路和交叉耦合誤連等，估算電纜長度、發生故障的電纜的長度、故障位置以及和故障點之間的距離等。
這一項重要功能可以解決網路連結的薄弱環節，主要是實體連接器或纜線，常見的故障包括電纜開路或短路，引起這些故障的主要原因包括電纜或連接器斷開或受損，讓實體層元件具備執行這些診斷檢測功能，可以顯著降低最終用戶端的整體總成本。
JITAG測試接入埠覆蓋數位I/O
為了簡化製造和測試，根據IEEE1149.1規格在實體層元件中整合成一個JITAG測試接入埠，能夠全面覆蓋所有數位I/O。發射器和接收器之間常見的環迴操作，能夠對10/100Base-T電路執行功能測試，該電路包括實體編碼子層(PCS)、實體媒體附屬子層(PMA)和實體媒體相關子層 (PMD)，這種電路已經廣泛應用於大多數實體層收發器。
建立互通性測試
和網路上其他實體層收發器的互通性是另外一個設計考慮事項，美國新漢普希爾大學相互操作實驗室(UNH-IOL)是網路設備互通性的測試機構，它採用 IEEE802.3u測試模板對各廠商的產品進行完整的互操作試驗，有了透過互通性測試的硬體，當產品須要支援多種數據連結層協定時，設計部門就可以專注於這些產品的軟體互通性。