5 лютага гэтага года быў зацверджаны новы стандарт на 10-мегабітны Ethernet. Так, вы дакладна прачыталі: дзесяць мегабіт у секунду.
Навошта ў 21-м стагоддзі патрэбна такая маленькая хуткасць? Для замены таго заапарка, які хаваецца пад ёмістай назвай "палявая шына" - Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART і г.д. Іх занадта шмат, яны несумяшчальныя паміж сабой і адносна складаныя ў наладзе. А жадаецца проста ўторкнуць кабель у камутатар, і ўсё. Як са звычайным Ethernet.
І неўзабаве гэта стане магчымым! Знаёмцеся: «802.3cg-2019 — IEEE Standard for Ethernet — Amendment 5:Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10 Mb/s Operation and Associated Power Delivery over Single Balanced Pair of Conductors».
Чым жа цікавы гэты новы Ethernet? Першым чынам ён працуе па адной вітай пары, а не па чатырох. Таму ў яго менш раздымы і танчэй кабелі. І можна выкарыстоўваць ужо пракладзеную вітую пару, якая ідзе да датчыкаў і выканаўчым механізмам.
Вы можаце запярэчыць, што Ethernet працуе да 100 метраў, а датчыкі размешчаны значна далей. Сапраўды, раней гэта была праблема. Але 802.3cg працуе на адлегласці да 1 км! Па адной пары! Не дрэнна?
Насамрэч, яшчэ лепш: па гэтай жа пары можа падавацца і электрасілкаванне. Вось з яго і пачнем.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Думаю, многія з вас чулі пра PoE (Power over Ethernet) і ведаюць, што для перадачы харчавання патрэбны 2 пары правадоў. Увод/вывад харчавання зроблены ў сярэдніх кропках трансфарматараў кожнай пары. Выкарыстоўваючы адну пару такое зрабіць немагчыма. Таму прыйшлося рабіць па-іншаму. Як менавіта паказана на малюнку ўнізе. Для прыкладу дададзены і класічны PoE.
Тут:
PSE – power sourcing equipment (крыніца харчавання)
PD – powered device (прылада на далёкім канцы, якая спажывае электрычнасць)
Першапачаткова 802.3bu меў 10 класаў электрасілкавання:
Колерам вылучаныя тры ўмоўных градацыі напругі крыніцы: 12, 24 і 48В.
абазначэнні:
Vpse - напружанне крыніцы харчавання, У
Vpd min - мінімальная напруга на PD, У
I max - максімальны ток у лініі, А
Ppd max - максімальная спажываная магутнасць PD, Вт
Са з'яўленнем пратакола 802.3cg дадалося яшчэ 6 класаў:
Зразумела, пры такой разнастайнасці PSE і PD павінны ўзгадняць клас электрасілкавання перад падачай поўнай напругі. Робіцца гэта з дапамогай SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Гэта нізкахуткасны пратакол (333 біт/з), заснаваны на 1-Wire. Ён працуе толькі тады, калі ў лінію не пададзена асноўнае харчаванне (у тым ліку ў спячым рэжыме).
На блок-схеме паказана, як выконваецца падача харчавання:
- падаецца ток 10мА і правяраецца наяўнасць на тым канцы стабілітрона на 4В
- праводзіцца ўзгадненне класа харчавання
- падаецца асноўнае харчаванне
- калі спажыванне падае менш за 10мА - уключаецца спячы рэжым (падача дзяжурнага харчавання 3.3В)
- калі спажыванне перавышае 1мА - адбываецца выйсце з спячага рэжыму
Узгадненне класа харчавання можна не рабіць, калі ён загадзя вядомы. Такі варыянт завецца Fast Startup Mode. Ужываецца, напрыклад, у аўтамабілях, т.к. там няма неабходнасці мяняць канфігурацыю падлучанага абсталявання.
Ініцыяваць пераход у спячы рэжым можа як PSE, так і PD.
Цяпер пяройдзем да апісання перадачы дадзеных. Там таксама цікава: у стандарце вызначаны два рэжымы працы - дальнабойны і для невялікіх адлегласцяў.
10BASE-T1L
Гэта варыянт для вялікай далёкасці (long reach). Асноўныя характарыстыкі наступныя:
- далёкасць дзеяння - да 1км
- правадыры 18AWG (0.8мм2)
- да 10 прамежкавых раздымаў (і два канцавыя)
- рэжым працы кропка-кропка
- поўны дуплекс
- сімвальная хуткасць 7.5Мбод
- мадуляцыя PAM-3, кадаваньне 4B3T
- сігнал з амплітудай 1В (1Vpp) ці 2.4В
- падтрымка Energy Efficient Ethernet ("quiet/refresh" EEE)
Відавочна, што гэты варыянт прызначаны для індустрыяльнага ўжывання, сістэм кантролю доступу, аўтаматызацыі будынкаў, ліфтаў. Для кіравання размешчанымі на дахах чылерамі, кандыцыянерамі, вентылятарамі. Або змешчанымі ў тэхнічных памяшканнях ацяпляльнымі катламі і помпамі. Гэта значыць, безліч розных ужыванняў апроч прамысловасці. Не гаворачы ўжо пра інтэрнэт рэчаў (IoT).
Варта згадаць, што 10BASE-T1 толькі адзін са стандартаў Single Pair Ethernet (SPE). Ёсць яшчэ 100BASE-T1 (802.3bw) і 1000BASE-T1 (802.3bp). Праўда, яны распрацоўваліся для аўтамабільных ужыванняў, таму тамака далёкасць толькі 15 (UTP) або 40 метраў (STP). Аднак, у планах ужо ёсць і дальнабойны 100BASE-T1L. Так што ў будучыні дададуць аўтаўзгадненне хуткасці.
А пакуль узгадненне не выкарыстоўваецца - заяўлены "хуткі старт" інтэрфейсу: менш 100мс ад падачы харчавання да пачатку абмену дадзенымі.
Яшчэ адна опцыя (неабавязковая) - павелічэнне амплітуды перадачы з 1 да 2.4В для паляпшэння стаўлення сігнал/шум, памяншэнні колькасці памылак, процідзеянні індустрыяльным перашкодам.
Ну і, зразумела, EEE. Гэта спосаб эканоміць электрычнасць за рахунак адключэння перадатчыка, калі ў дадзены момант няма дадзеных для перадачы. На дыяграме паказана, як гэта выглядае:
Няма дадзеных - адсылаем паведамленне "я пайшла спаць" і адключаемся. Зрэдку прачынаемся і дасылаем паведамленне "я яшчэ тут". Калі з'яўляюцца дадзеныя, супрацьлегламу боку выдаецца папярэджанне "я прачынаюся" і пачынаецца перадача. Гэта значыць, увесь час працуюць толькі прымачы.
Цяпер паглядзім, што прыдумалі са другім варыянтам стандарту.
10BASE-T1S
Ужо па апошняй літары зразумела, што гэта пратакол для кароткіх адлегласцяў (short reach). Але навошта ён патрэбен, калі на кароткіх адлегласцях і T1L працуе? Чытэльны характарыстыкі:
- далёкасць дзеяння да 15м у рэжыме кропка-кропка
- дуплекс ці паўдуплекс
- проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- сімвальная хуткасць 12.5Мбод
- DME, кадаваньне 4B5B
- сігнал з амплітудай 1В (1Vpp)
- да 4-х прамежкавых раздымаў (і два канцавыя)
- няма падтрымкі EEE
Нібыта нічога асаблівага. Дык для чаго ж ён патрэбен? А вось для гэтага:
- далёкасць дзеяння да 25м у рэжыме мультыпоінт (да 8 вузлоў)
І гэтага:
- рэжым працы з прадухіленнем калізій PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
І гэта ўжо значна цікавей, ці не праўда? Т.к. дапамагае моцна паменшыць колькасць правадоў у кіраўнікоў шафах, станках, робатах, аўтамабілях. І ўжо ёсць прапановы выкарыстоўваць яго як замену I2C у серверах, камутатарах і іншай электроніцы.
Але ў рэжыма мультыпоінт ёсць недахопы. Асноўны з іх - падзялянае асяроддзе перадачы дадзеных. Вядома, калізіі дазваляюцца з дапамогай CSMA/CD. Але невядома, якая пры гэтым будзе затрымка. А для некаторых ужыванняў гэта крытычна. Таму ў новым стандарце дапоўнілі мультыпоінт спецыяльным рэжымам PLCA RS (гл. наступны раздзел).
Другі недахоп - у мультыпоінце не працуе PoDL. Гэта значыць харчаванне давядзецца падаваць па асобным кабелі або браць дзесьці на месцы.
Зрэшты, у рэжыме кропка-кропка PoDL працуе і на T1S.
PLCA RS
Працуе гэты рэжым наступным чынам:
- вузлы размяркоўваюць паміж сабой ідэнтыфікатары, вузел з ID=0 становіцца каардынатарам
- каардынатар выдае ў сетку BEACON signal, які азначае пачатак новага цыкла перадачы і перадае свой пакет даных
- пасля перадачы пакета дадзеных чарга на перадачу пераходзіць да наступнага вузла.
- калі на працягу часу, неабходнага для перадачы 20 біт вузел не пачаў перадачу, чарга пераходзіць да наступнага вузла
- калі ўсе вузлы перадалі дадзеныя (ці прапусцілі сваю чаргу), каардынатар пачынае новы цыкл
У цэлым гэта нагадвае TDMA. Але з той асаблівасцю, што вузел не выкарыстоўвае свой часавы фрэйм, калі яму няма чаго перадаваць. І памер фрэйма цвёрда не зададзены, т.к. залежыць ад памеру пакета дадзеных, які перадаецца вузлом. І ўсё гэта працуе па-над стандартнымі фрэймамі Ethernet 802.3 (PLCA RS не абавязковы, таму павінна быць сумяшчальнасць).
Вынік выкарыстання PLCA - унізе на графіках. Першы - затрымка ў залежнасці ад загрузкі, другі - прапускная здольнасць у залежнасці ад колькасці перадавальных вузлоў. Добра заўважна, што затрымка стала значна больш прадказальнай. І яна ў горшым выпадку на 2 парадку меншая, чым у горшым выпадку CSMA/CD:
І прапускная здольнасць канала ў выпадку PLCA вышэй, т.я. не выдаткоўваецца на дазвол калізій:
раздымы
Першапачаткова выбіралі з 6-ці варыянтаў раздымаў, прапанаваных рознымі фірмамі. У выніку спыніліся на гэтых двух варыянтах:
Для звычайных умоў эксплуатацыі быў абраны LC раз'ём IEC 63171-1 кампаніі CommScope.
Для суровых умоў эксплуатацыі - сямейства раздымаў IEC 63171-6 (былы 61076-3-125) кампаніі HARTING. Гэтыя раздымы разлічаны на ступені абароны ад IP20 да IP67.
Зразумела, раздымы і кабелі могуць быць як UTP, так і STP.
Іншае
Можна выкарыстоўваць звычайны чатырохпарны кабель Ethernet, выкарыстоўваючы кожную пару для асобнага канала SPE. Каб не цягнуць кудысьці ўдалячынь чатыры асобныя кабелі. Або выкарыстоўваць аднапарны кабель, а на далёкім канцы паставіць камутатар аднапарнага Ethernet.
А можна падлучыць гэты камутатар прама ў лакальную сетку прадпрыемства, калі ў далёкія далечы ўжо працягнутая сетка па оптавалакне. Уторкнуць там у яго датчыкі, а паказанні з іх глядзець тут. Прама па сетцы. Без канвертараў інтэрфейсаў і шлюзаў.
І бо гэта не абавязкова павінны быць датчыкі. Могуць быць відэакамеры, дамафоны ці "разумныя" лямпачкі. Прывады якіх-небудзь клапанаў або турнікеты на прахадных.
Так што перспектывы адчыняюцца цікавыя. Ці наўрад, вядома, SPE заменіць усе палявыя шыны. Але ладны кавалак ён у іх адкусіць. Ужо ў аўтамабілях-то сапраўды.
PS Я не знайшоў тэкст стандарту ў адчыненым доступе. Прыведзеная вышэй інфармацыя збіралася па кавалачках з розных прэзентацый і даступных у інтэрнэце матэрыялаў. Так што ў ёй могуць быць недакладнасьці.
Крыніца: habr.com