5. února tohoto roku byl schválen nový standard pro 10megabitový Ethernet. Ano, čtete správně: deset megabitů za sekundu.
Proč je v 21. století potřebná tak "malá" rychlost? Na to, abychom nahradili ten zoo, který se skrývá pod hlavným názvem „polní sběrnice“ — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART atd. Je jich příliš mnoho, nejsou vzájemně kompatibilní a relativně složitě se nastavují. A přitom bychom chtěli jen zapojit kabel do switche a hotovo. Stejně jako u běžného Ethernetu.
A brzy to bude možné! Seznamte se: „802.3cg-2019 — IEEE Standard for Ethernet — Amendment 5: Fyzikální specifi kace a správa parametrů pro provoz 10 Mb/s a související dodávku energie po jednom vyváženém páru vodičů“.
Čím je tento nový Ethernet zajímavý? Především – funguje po jednom zkrouceném páru, nikoli po čtyřech. Proto má menší konektory a tenčí kabely. A lze použít již položený zkroucený pár, který jde k senzorům a akčním členům.
Můžete namítat, že Ethernet funguje do 100 metrů, a senzory jsou umístěny mnohem dál. Opravdu, dříve to byl problém. Ale 802.3cg funguje až na vzdálenost 1 km! Po jednom páru! Není to špatné?
Ve skutečnosti je to ještě lepší: po tomto páru může být dodávána i elektrická energie. Takže tím začneme.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Myslím, že mnozí z vás slyšeli o PoE (Power over Ethernet) a vědí, že pro přenos energie jsou potřeba 2 páry vodičů. Vstup/výstup energie je realizován v prostředních bodech transformátorů každého páru. Použití jednoho páru není možné. Proto bylo nutné to udělat jinak. Jak přesně, je znázorněno na obrázku níže. Pro příklad byl přidán i klasický PoE.
Zde:
PSE – zařízení dodávající energii (power sourcing equipment)
PD – zařízení na vzdáleném konci, které spotřebovává elektřinu (powered device)
Původně měl 802.3bu 10 tříd dodávky energie:
Barvou jsou zvýrazněny tři podmínkové stupně napětí zdroje: 12, 24 a 48V.
Označení:
Vpse — napětí zdroje napájení, V
Vpd min — minimální napětí na PD, V
I max — maximální proud v lince, A
Ppd max — maximální příkon PD, W
S příchodem protokolu 802.3cg přibylo dalších 6 tříd:
Samozřejmě, při takovém množství je PSE a PD musí dohodnout třídu napájení před dodáním plného napětí. To se provádí pomocí SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Je to nízkorychlostní protokol (333 b/s), založený na 1-Wire. Funguje pouze tehdy, když není na lince dodáno hlavní napájení (včetně spánkového režimu).
Na blokovém schématu je znázorněno, jak se provádí dodávka energie:
- je dodáván proud 10 mA a kontrolována přítomnost stabilizátoru na 4 V na druhém konci
- provádí se dohodnutí třídy napájení
- je dodáváno hlavní napájení
- pokud spotřeba klesne pod 10 mA – aktivuje se spánkový režim (dodávka pohotovostního napájení 3,3 V)
- pokud spotřeba přesáhne 1 mA – dochází k výstupu ze spánkového režimu
Dohodnutí třídy napájení se může vynechat, pokud je to známo předem. Tento režim se nazývá Fast Startup Mode. Používá se například v automobilech, protože tam není potřeba měnit konfiguraci připojeného vybavení.
Iniciovat přechod do spánkového režimu může jak PSE, tak PD.
Nyní přejdeme k popisu přenosu dat. Tam je také zajímavé: ve standardu jsou definovány dva pracovní režimy – pro dálkové a pro krátké vzdálenosti.
10BASE-T1L
Toto je varianta pro velkou vzdálenost (long reach). Hlavní vlastnosti jsou následující:
- dohlednost – až 1 km
- drah našich vodičů 18 AWG (0.8 mm²)
- až 10 mezilehlých konektorů (a dva koncové)
- jednopunktový režim
- plný duplex
- symbolová rychlost 7,5 Mbaud
- modulace PAM-3, kódování 4B3T
- signál s amplitudou 1 V (1Vpp) nebo 2,4 V
- podpora Energy Efficient Ethernet ("quiet/refresh" EEE)
Je zřejmé, že tato varianta je určena pro průmyslové aplikace, systémy kontroly přístupu, automatizaci budov, výtahů. Pro řízení chladičů, klimatizací, ventilátorů umístěných na střechách. Nebo pro kotle a čerpadla umístěná v technických prostorách. Tedy spousta různých aplikací, kromě průmyslu. Nemluvě o internetu věcí (IoT).
Je třeba zmínit, že 10BASE-T1 je pouze jedním ze standardů Single Pair Ethernet (SPE). Existují také 100BASE-T1 (802.3bw) a 1000BASE-T1 (802.3bp). Pravda, byly vyvinuty pro automobilové aplikace, proto je tam dosah pouze 15 (UTP) nebo 40 metrů (STP). Nicméně, plány už zahrnují i dálkový 100BASE-T1L. Takže v budoucnu přidají automatické dohodnutí rychlosti.
Zatímco schválení není použito, je zde uveden "rychlý start" rozhraní: méně než 100 ms od zapnutí napájení do začátku výměny dat.
Další volba (nepovinná) – zvýšení amplitudy přenosu z 1 na 2,4 V pro zlepšení poměru signál/šum, snížení počtu chyb a odolání průmyslovým rušením.
A samozřejmě EEE. Je to způsob, jak šetřit elektrickou energii tím, že se vypne vysílač, když v současnosti nejsou žádná data k přenosu. V diagramu je znázorněno, jak to vypadá:
Není žádná data – odešleme zprávu "odcházím spát" a vypínáme se. Občas se probudíme a odešleme zprávu "jsem tu ještě". Když se objeví data, druhé straně je zasláno upozornění "probudím se" a začíná přenos. To znamená, že neustále pracují pouze přijímače.
Nyní se podívejme, co vymysleli s druhou variantou standardu.
10BASE-T1S
Už podle posledního písmene je jasné, že se jedná o protokol pro krátké vzdálenosti (short reach). Ale proč je potřebný, když na krátkých vzdálenostech funguje i T1L? Přečtěme si specifikace:
- dosažitelnost až 15 m v režimu point-to-point
- duplex nebo half-duplex
- vodivost 24-26 AWG (0,2-0,13 mm²)
- symbolová rychlost 12,5 Mbod
- DME, kódování 4B5B
- signál s amplitudou 1 V (1 Vpp)
- až 4 mezilehlé konektory (a dva koncové)
- žádná podpora EEE
Vypadá to jako nic zvláštního. Tak proč je tedy potřebný? A to je, abychom:
- dosažitelnost až 25 m v režimu multipoint (až 8 uzlů)
A tohle:
- režim práce s prevencí kolizí PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
A to už je mnohem zajímavější, že? Protože to výrazně pomáhá snížit množství vodičů v řídících skříních, strojích, robotech, automobilech. A už existují návrhy využít ho jako náhradu I2C v serverech, switchech a další elektronice.
Ale režim multipoint má nevýhody. Hlavní z nich je sdílené médium pro přenos dat. Samozřejmě, kolize se vyřeší pomocí CSMA/CD. Ale není známo, jaká bude zpoždění. A pro některé aplikace je to kritické. Proto byl v novém standardu multipoint doplněn o speciální režim PLCA RS (viz další kapitola).
Druhý nedostatek je, že v režimu multipoint nefunguje PoDL. To znamená, že napájení bude třeba dodávat samostatným kabelem nebo ho brát někde na místě.
Nicméně v režimu point-to-point PoDL funguje i na T1S.
PLCA RS
Tento režim funguje následovně:
- uzly si mezi sebou rozdělují identifikátory, uzel s ID=0 se stává koordinátorem
- koordinátor vysílá do sítě BEACON signal, což znamená začátek nového cyklu přenosu, a předává svůj datový balíček
- po přenosu datového balíčku se fronta na přenos přesouvá na další uzel
- pokud během doby potřebné k přenosu 20 bitů uzel nezačne přenos, fronta se přesune na další uzel
- když všechny uzly přenesly data (nebo vynechaly svou frontu), koordinátor začíná nový cyklus
Celkově to připomíná TDMA. Ale s tím rozdílem, že uzel nevyužívá svůj časový rámec, pokud nemá co přenášet. A velikost rámce není pevně stanovena, neboť závisí na velikosti datového balíčku přenášeného uzlem. A to vše funguje nad standardními rámci Ethernet 802.3 (PLCA RS není povinný, takže musí být kompatibilita).
Výsledek použití PLCA je na grafech níže. První – zpoždění v závislosti na zatížení, druhý – propustnost v závislosti na počtu přenášejících uzlů. Je zřejmé, že zpoždění se stalo mnohem předvídatelnějším. A v nejhorším případě je o 2 řády menší než v nejhorším případě CSMA/CD:
A propustnost kanálu v případě PLCA je vyšší, protože se nevyužívá na řešení kolizí:
Konektory
Původně jsme vybírali ze 6 variant konektorů, které nabídly různé firmy. Nakonec jsme se rozhodli pro tyto dva varianty:
Pro běžné provozní podmínky byl vybrán konektor LC IEC 63171-1 od společnosti CommScope.
Pro náročné provozní podmínky byla vybrána rodina konektorů IEC 63171-6 (dříve 61076-3-125) od společnosti HARTING. Tyto konektory jsou navrženy pro ochranné stupně od IP20 do IP67.
Samozřejmě, konektory a kabely mohou být jak UTP, tak STP.
Ostatní
Lze použit klasický čtyřpairový Ethernet kabel, přičemž každou dvojici použijete pro samostatný kanál SPE. Aby nebylo potřeba tahat kdovíkam čtyři samostatné kabely. Nebo použít jednopairový kabel, na konci umístit přepínač jednopairového Ethernetu.
Lze tento switch připojit přímo do místní sítě podniku, pokud je do vzdálených oblastí již natažena síť optickým vláknem? Připojit k němu senzory a sledovat jejich údaje zde. Přímo přes síť. Bez konvertorů a brán.
A nemusí to být nutně senzory. Mohou to být také kamerové systémy, videotelefony nebo „chytré“ žárovky. Pohony různých ventilů nebo turnikety na vchodech.
Perspektivy se tedy otevírají zajímavé. Samozřejmě, SPE těžko nahradí všechny pole připojení. Ale značný podíl z nich si určitě vezme. U aut to je jasné.
PS. Našel jsem text normy v otevřeném přístupu. Výše uvedené informace byly shromážděny kousky z různých prezentací a dostupných materiálů na internetu. Proto mohou obsahovat nepřesnosti.
Zdroj: habr.com
