На 5 февруари тази година беше одобрен нов стандарт за 10-гигабитен Ethernet. Да, прочетохте правилно: десет мегабита в секунда.
За какво е нужна такава ‘малка’ скорост през 21-ви век? За да замени целия зоологически парк, който се крие зад обширното наименование ‘полева шина’ — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART и т.н. Те са прекалено много, несъвместими помежду си и относително сложни за настройка. А просто искаш да включиш кабел в комутатора и готово. Както с обикновения Ethernet.
И скоро това ще бъде възможно! Запознайте се: ‘802.3cg-2019 — IEEE стандарт за Ethernet — изменение 5: Спецификации на физическия слой и управленски параметри за работа на 10 Mb/s и свързването на електрическа мощност през един балансиран чифт проводници.’
Какво е интересното в този нов Ethernet? Първо и най-важно — той работи с един вит проводник, а не с четири. Затова има по-малко конектори и по-тънки кабели. Може да се използва вече прокараната витая двойка, която води до датчици и изпълнителни механизми.
Може да възразите, че Ethernet работи до 100 метра, а датчиците са разположени много по-далеч. Всъщност, това наистина беше проблем. Но 802.3cg работи на разстояние до 1 км! На един чифт! Не звучи ли добре?
Всъщност, дори още по-добре: чрез същия проводник може да се подава и електрическа мощност. С него и ще започнем.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Мисля, че много от вас са чували за PoE (Power over Ethernet) и знаят, че за пренос на мощност са нужни 2 чифта проводници. Вход/изход на мощност се прави в средните точки на трансформаторите на всеки чифт. Използвайки един чифт, това не е възможно. Затова трябваше да се направи по различен начин. Как точно – показано е на изображението по-долу. За пример е добавен и класически PoE.
Тук:
PSE – оборудване за захранване (източник на захранване)
PD – захранвано устройство (устройство на далечния край, което консумира електричество)
Поначало 802.3bu имаше 10 класа електрическа мощност:
С цветове са обозначени три условни градации на напрежението на източника: 12, 24 и 48V.
Обозначения:
Vpse — напрежение на източника на захранване, V
Vpd min — минимално напрежение на PD, V
I max — максимален ток в линията, A
Ppd max — максимална консумирана мощност на PD, W
С появата на протокола 802.3cg добавиха още 6 класа:
Разбира се, при такова разнообразие PSE и PD трябва да координират класа на електрозахранване преди подаване на пълно напрежение. Това се прави с помощта на SCCP (Протокол за класификация на серийни комуникации). Това е нискоскоростен протокол (333 бита/с), базиран на 1-Wire. Той работи само когато в линията няма подадено основно захранване (включително в спящ режим).
На блок-схемата е показано как се извършва подаването на захранване:
- подава се ток от 10mA и се проверява наличието на стабилитрон на 4V от другата страна
- извършва се координиране на класа на захранването
- подава се основно захранване
- ако консумацията падне под 10mA – се включва спящ режим (подаване на поддържащо захранване 3.3V)
- ако консумацията надвиши 1mA – става изход от спящ режим
Координирането на класа на захранването не е необходимо, ако той е предварително известен. Такъв вариант се нарича Fast Startup Mode. Използва се, например, в автомобили, тъй като там няма нужда да се променя конфигурацията на свързаното оборудване.
Инициране на прехода в спящ режим може да осъществи както PSE, така и PD.
Сега преминаваме към описанието на предаването на данни. Там също е интересно: в стандарта са определени два режима на работа – дългосрочен и за малки разстояния.
10BASE-T1L
Това е вариант за голямо разстояние (long reach). Основните характеристики са следните:
- обхват – до 1 км
- проводници 18AWG (0.8mm2)
- до 10 междинни разъема (и два крайни)
- режим на работа точка-точка
- пълен дуплекс
- символна скорост 7.5Mb/s
- модулация PAM-3, кодиране 4B3T
- сигнал с амплитуда 1V (1Vpp) или 2.4V
- подкрепа на Energy Efficient Ethernet ("quiet/refresh" EEE)
Очевидно е, че този вариант е предназначен за индустриално приложение, системи за контрол на достъпа, автоматизация на сгради, асансьори. За управление на разположени на покривите чилъри, климатици, вентилатори. Или в техническите помещения с отоплителни котли и помпи. Тоест, безброй приложения извън индустрията. Да не споменавам интернет на нещата (IoT).
Важно е да спомена, че 10BASE-T1 е само един от стандартите на Single Pair Ethernet (SPE). Съществуват и 100BASE-T1 (802.3bw) и 1000BASE-T1 (802.3bp). Вярно, те са разработвани за автомобилни приложения, поради което там обхватът е само 15 (UTP) или 40 метра (STP). Обаче, вече има планове за дългосрочен 100BASE-T1L. Така че в бъдеще ще добавят автоматично координиране на скоростта.
Докато споразуменията не се използват, се обявява "бърз старт" на интерфейса: по-малко от 100мс от подаване на захранване до началото на обмена на данни.
Още една опция (по избор) – увеличаване на амплитудата на предаване от 1 до 2.4V за подобряване на отношението сигнал/шум, намаляване на броя на грешките и противодействие на индустриалните смущения.
И разбира се EEE. Това е начин за спестяване на електричество чрез изключване на предавателя, ако в момента няма данни за предаване. На диаграмата е показано как изглежда това:
Няма данни – изпращаме съобщение "отидох да спя" и се изключваме. От време на време се събуждаме и изпращаме съобщение "все още съм тук". Когато се появят данни, на противоположната страна се изпраща предупреждение "събуждам се" и започва предаването. Тоест, постоянно работят само приемниците.
Сега да видим какво измислиха с втория вариант на стандарта.
10BASE-T1S
Вече по последната буква е ясно, че това е протокол за къси разстояния (short reach). Но защо е нужен, след като и T1L работи на къси разстояния? Четем характеристиките:
- обхват до 15м в режим точка-точка
- дуплекс или полудуплекс
- проводници 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- символна скорост 12.5Мбод
- DME, кодиране 4B5B
- сигнал с амплитуда 1V (1Vpp)
- до 4 междинни конектора (и два крайни)
- няма поддръжка на EEE
На пръв поглед нищо особено. Но защо е нужен?
- обхват до 25м в режим мултипойнт (до 8 възела)
И това:
- режим на работа с предотвратяване на колизии PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
И това вече е много по-интересно, нали? Тъй като помага значително да се намали броят на проводниците в управленските шкафове, машини, роботи и автомобили. И вече има предложения да се използва като заместител на I2C в сървъри, комутатори и друга електроника.
Но режимът мултипойнт има недостатъци. Основният от тях е споделянето на средата за предаване на данни. Разбира се, колизиите се разрешават с помощта на CSMA/CD. Но не е известно каква ще бъде закъснението. А за някои приложения това е критично. Затова в новия стандарт мултипойнт беше допълнен с нов режим PLCA RS (вижте следващата секция).
Вторият недостатък е, че в мултипойнт не работи PoDL. Тоест, захранването ще трябва да се подава по отделен кабел или да се вземе от мястото.
Все пак, режим точка-точка PoDL работи и на T1S.
PLCA RS
Този режим работи по следния начин:
- възлите разпределят идентификаторите помежду си, възел с ID=0 става координатор
- координаторът изпраща в мрежата BEACON signal, който означава начало на нов цикъл на предаване и предава своя пакет данни
- след предаване на пакета данни, опашката за предаване преминава към следващия възел
- ако в рамките на времето, необходимо за предаване на 20 бита, възелът не е започнал предаване, опашката преминава към следващия възел
- когато всички възли предадат данни (или пропуснат своята опашка), координаторът започва нов цикъл
В общи линии, това напомня на TDMA. Но с тая особеност, че възелът не използва своя времеви фрейм, ако няма какво да предаде. И размерът на фрейма не е строго зададен, тъй като зависи от размера на пакета данни, предаван от възела. И всичко това работи на стандартните Ethernet 802.3 фреймове (PLCA RS не е задължителен, затова трябва да има съвместимост).
Резултатът от използването на PLCA е показан по-долу на графиките. Първият – закъснението в зависимост от натоварването, вторият – пропускната способност в зависимост от броя на предаващите възли. Ясно се вижда, че закъснението стана много по-предсказуемо. И в най-лошия случай е два порядъка по-малко, отколкото в най-лошия случай на CSMA/CD:
И пропускната способност на канала в случай на PLCA е по-висока, тъй като не се разходва за разрешаване на колизии:
Разъми
Първоначално избрахме от 6 варианта на разъми, предложени от различни компании. В резултат спряхме на тези два варианта:
За обикновени условия на експлоатация бе избран LC разъм IEC 63171-1 на компания CommScope.
За сурови условия на експлоатация – семейство разъми IEC 63171-6 (по-рано 61076-3-125) на компания HARTING. Тези разъми са проектирани за степени на защита от IP20 до IP67.
Разбира се, разъми и кабели могат да бъдат както UTP, така и STP.
Други
Може да се използва стандартен четирипарен Ethernet кабел, като се използва всяка двойка за отделен канал SPE. За да не се налага да се изтеглят четири отделни кабела. Или да се използва еднопарен кабел, а на края край да се постави комутатор за еднопарен Ethernet.
Може ли този комутатор да бъде свързан директно към локалната мрежа на предприятието, ако оптичната мрежа вече е опъната на дълги разстояния. Поставете сензори там и наблюдавайте показанията им тук. Пряко през мрежата. Без интерфейсни конвертори и шлюзове.
И не е задължително да бъдат сензори. Могат да бъдат видеокамери, домофони или „умни“ лампички. Приводи на клапани или турникети на входовете.
Така че се откриват интересни перспективи. Малко вероятно е, разбира се, SPE да замени всички полеви шинни системи. Но значителен дял със сигурност ще отмъсти на тях. В автомобили със сигурност.
PS Не намерих текста на стандарта в открит достъп. По-горната информация е събрана на парчета от различни презентации и налични в интернет материали. Така че могат да има неточности в нея.
Източник: habr.com
