Viertel Ethernet: alte Geschwindigkeit, neue Möglichkeiten

Am 5. Februar dieses Jahres wurde ein neuer Standard für 10-Megabit-Ethernet genehmigt. Ja, Sie haben richtig gelesen: zehn Megabit pro Sekunde.

Wozu braucht man im 21. Jahrhundert so eine "kleine" Geschwindigkeit? Um den Dschungel zu ersetzen, der sich hinter der umfangreichen Bezeichnung „Feldbus“ verbirgt – Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART usw. Es gibt zu viele, sie sind untereinander nicht kompatibel und relativ kompliziert einzurichten. Man möchte einfach nur ein Kabel in den Switch stecken und fertig. Wie bei normalem Ethernet.

Und bald wird das möglich sein! Lernen Sie kennen: „802.3cg-2019 — IEEE Standard für Ethernet — Zusatz 5: Physikalische Schichtspezifikationen und Verwaltungsparameter für 10 Mb/s-Betrieb und zugehörige Stromversorgung über ein einzelnes ausgeglichenes Paar von Leitern“.

Was ist also so interessant an diesem neuen Ethernet? Vor allem funktioniert es über ein einziges verdrilltes Paar und nicht über vier. Daher hat es kleinere Anschlüsse und dünnere Kabel. Zudem können bereits verlegte verdrillte Paare, die zu Sensoren und Aktoren führen, genutzt werden.

Sie könnten einwenden, dass Ethernet bis zu 100 Meter funktioniert, während die Sensoren viel weiter entfernt sind. Tatsächlich war das früher ein Problem. Aber 802.3cg funktioniert über Entfernungen von bis zu 1 km! Über ein einziges Paar! Nicht schlecht, oder?

In der Tat noch besser: Über dasselbe Paar kann auch Strom bereitgestellt werden. Damit fangen wir an.

IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)

Ich denke, viele von Ihnen haben von PoE (Power over Ethernet) gehört und wissen, dass für die Stromübertragung 2 Paare von Drähten benötigt werden. Der Stromein- und -ausgang erfolgt in den mittleren Punkten der Transformatoren jeder Paarung. Mit einem Paar ist das so nicht möglich. Daher musste es anders gemacht werden. Wie genau, wird im Bild unten gezeigt. Zum Vergleich wurde auch das klassische PoE hinzugefügt.

Hier:
PSE – Power Sourcing Equipment (Stromquelle)
PD – Powered Device (Gerät am anderen Ende, das Strom verbraucht)

Ursprünglich hatte 802.3bu 10 Klassen der Stromversorgung:

Farbe hebt drei bedingte Spannungsgradationen der Quelle hervor: 12, 24 und 48V.

Bezeichnungen:
Vpse — Spannung der Stromquelle, V
Vpd min — minimale Spannung an PD, V
I max — maximaler Strom in der Leitung, A
Ppd max — maximale Leistung des PD, W

Mit dem Protokoll 802.3cg kamen 6 weitere Klassen hinzu:

Natürlich müssen PSE und PD bei dieser Vielzahl von Optionen die Klasse der elektrischen Energie vereinbaren, bevor die volle Spannung angelegt wird. Dies erfolgt über das SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Es handelt sich um ein Niedriggeschwindigkeitsprotokoll (333 bit/s), das auf 1-Wire basiert. Es funktioniert nur, wenn die Hauptstromversorgung nicht an die Leitung angelegt ist (einschließlich im Schlafmodus).

Das Blockdiagramm zeigt, wie die Stromversorgung erfolgt:

• Es wird ein Strom von 10 mA angelegt und das Vorhandensein eines 4V-Zener-Dioden am anderen Ende überprüft.
• Es erfolgt die Vereinbarung der Stromklasse.
• Die Hauptstromversorgung wird angelegt.
• Wenn der Verbrauch unter 10 mA fällt, schaltet sich der Schlafmodus ein (Bereitstellung von Standby-Strom 3,3 V).
• Wenn der Verbrauch 1 mA überschreitet, erfolgt der Ausstieg aus dem Schlafmodus.

Die Vereinbarung der Stromklasse ist nicht erforderlich, wenn sie im Voraus bekannt ist. Diese Option wird als Fast Startup Mode bezeichnet. Sie wird beispielsweise in Autos eingesetzt, da dort keine Notwendigkeit besteht, die Konfiguration der angeschlossenen Geräte zu ändern.

Der Übergang in den Schlafmodus kann sowohl durch PSE als auch durch PD initiiert werden.

Kommen wir nun zur Beschreibung der Datenübertragung. Auch hier ist es interessant: Im Standard sind zwei Betriebsmodi definiert – Langstrecken- und Kurzstreckenbetrieb.

10BASE-T1L

Dies ist eine Option für große Distanzen (long reach). Die Hauptmerkmale sind folgende:

• Reichweite – bis zu 1 km.
• Leiter 18AWG (0,8 mm²).
• Bis zu 10 Zwischenstecker (und zwei Endstecker).
• Betriebsmodus Punkt-zu-Punkt.
• Voll Duplex.
• Zeichengeschwindigkeit 7,5 Mbaud.
• Modulation PAM-3, Codierung 4B3T.
• Signal mit einer Amplitude von 1 V (1 Vpp) oder 2,4 V.
• Unterstützung für Energy Efficient Ethernet ("quiet/refresh" EEE).

Offensichtlich ist diese Option für industrielle Anwendungen, Zugangskontrollsysteme, Gebäudeautomatisierung und Aufzüge gedacht. Zur Steuerung von Kühlsystemen, Klimaanlagen und Lüftern, die sich auf Dächern befinden. Oder von Heizkesseln und Pumpen in technischen Räumen. Das heißt, unzählige Anwendungen jenseits der Industrie. Ganz zu schweigen von dem Internet der Dinge (IoT).

Es sei erwähnt, dass 10BASE-T1 nur einer der Standards für Single Pair Ethernet (SPE) ist. Es gibt auch 100BASE-T1 (802.3bw) und 1000BASE-T1 (802.3bp). Diese wurden jedoch für Automobilanwendungen entwickelt, weshalb die Reichweite dort nur 15 (UTP) oder 40 Meter (STP) beträgt. Es sind jedoch bereits Pläne für eine Langstreckenoption 100BASE-T1L vorhanden. Zukünftig wird also eine Auto-Aushandlung der Geschwindigkeit hinzugefügt.

Solange die Genehmigung nicht verwendet wird, wird ein "Schnellstart"-Interface angekündigt: weniger als 100 ms von der Stromversorgung bis zum Beginn des Datenaustauschs.

Eine weitere Option (optional) ist die Erhöhung der Übertragungsamplitude von 1 auf 2,4 V zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses, Reduzierung der Fehleranzahl und Bekämpfung industrieller Störungen.

Und natürlich EEE. Dies ist eine Möglichkeit, Strom zu sparen, indem der Sender abgeschaltet wird, wenn momentan keine Daten zum Senden vorhanden sind. Die Grafik zeigt, wie das aussieht:


Keine Daten – wir senden die Nachricht „Ich gehe schlafen“ und schalten uns aus. Gelegentlich wachen wir auf und senden die Nachricht „Ich bin noch hier“. Wenn Daten verfügbar sind, wird der anderen Seite die Warnung „Ich wache auf“ gesendet und die Übertragung beginnt. Das heißt, nur die Empfänger sind ständig aktiv.

Schauen wir uns jetzt an, was mit der zweiten Variante des Standards entwickelt wurde.

10BASE-T1S

Bereits am letzten Buchstaben erkennt man, dass dies ein Protokoll für kurze Strecken (short reach) ist. Aber wozu wird es benötigt, wenn auch T1L bei kurzen Distanzen funktioniert? Lassen Sie uns die Spezifikationen lesen:

• Reichweite bis zu 15 m im Punkt-zu-Punkt-Modus
• Voll-Duplex oder Halb-Duplex
• Leitungen 24-26 AWG (0,2-0,13 mm²)
• Symbolgeschwindigkeit 12,5 Mbaud
• DME, Kodierung 4B5B
• Signal mit einer Amplitude von 1 V (1 Vpp)
• Bis zu 4 Zwischensteckverbindungen (und zwei Endsteckverbindungen)
• Keine Unterstützung für EEE

Es scheint nichts Besonderes zu sein. Aber wozu ist es dann gut? Nun, dafür:

• Reichweite bis zu 25 m im Multipoint-Modus (bis zu 8 Knoten)

Und dafür:

• Betriebsmodus zur Vermeidung von Kollisionen PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)

Und das ist schon viel interessanter, oder? Es hilft, die Anzahl der Kabel in Steuerungsschränken, Maschinen, Robotern und Autos erheblich zu reduzieren. Es gibt bereits Vorschläge, es als Ersatz für I2C zu verwenden in Servern, Switches und anderer Elektronik.

Aber der Multipoint-Modus hat auch Nachteile. Der Hauptnachteil ist das gemeinsame Übertragungsmedium. Natürlich werden Kollisionen durch CSMA/CD geregelt. Aber es ist ungewiss, welche Verzögerung dabei entsteht. Und für einige Anwendungen ist das kritisch. Daher wurde im neuen Standard der Multipoint um den speziellen PLCA RS-Modus ergänzt (siehe nächster Abschnitt).

Der zweite Nachteil ist, dass PoDL im Multipoint-Modus nicht funktioniert. Das bedeutet, dass die Stromversorgung über ein separates Kabel bereitgestellt werden muss oder lokal bereitgestellt werden muss.

Übrigens funktioniert PoDL im Punkt-zu-Punkt-Modus auch auf T1S.

PLCA RS

Dieser Modus funktioniert wie folgt:

• Knoten teilen sich Identifikatoren, der Knoten mit ID=0 wird zum Koordinator.
• Der Koordinator sendet ein BEACON-Signal ins Netzwerk, das den Beginn eines neuen Übertragungzyklus anzeigt und sein Datenpaket überträgt.
• Nach der Übertragung des Datenpakets wechselt die Übertragungswarteschlange zum nächsten Knoten.
• Wenn der Knoten innerhalb der Zeit, die für die Übertragung von 20 Bit benötigt wird, nicht mit der Übertragung beginnt, wechselt die Warteschlange zum nächsten Knoten.
• Sobald alle Knoten ihre Daten übertragen haben (oder ihre Chance verpasst haben), beginnt der Koordinator einen neuen Zyklus.

Insgesamt ähnelt das TDMA. Aber mit der Besonderheit, dass ein Knoten seinen Zeitrahmen nicht nutzt, wenn er nichts zu übermitteln hat. Und die Größe des Rahmens ist nicht festgelegt, da sie von der Größe des vom Knoten gesendeten Datenpakets abhängt. Und all dies funktioniert über die Standard-Ethernet-802.3-Rahmen (PLCA RS ist nicht erforderlich, daher muss Kompatibilität gegeben sein).

Die Ergebnisse der Verwendung von PLCA sind unten in den Grafiken dargestellt. Die erste – die Verzögerung in Abhängigkeit von der Auslastung, die zweite – die Bandbreite in Abhängigkeit von der Anzahl der übertragenden Knoten. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Verzögerung viel vorhersehbarer geworden ist. Und im schlimmsten Fall ist sie um 2 Größenordnungen kleiner als im schlimmsten Fall bei CSMA/CD:

Und die Bandbreite des Kanals ist im Fall von PLCA höher, da sie nicht für die Auflösung von Kollisionen verwendet wird:

Steckverbinder

Ursprünglich wurden aus sechs verschiedenen Steckverbindervarianten, die von verschiedenen Firmen angeboten wurden, ausgewählt. Schließlich entschieden wir uns für diese beiden Varianten:

Für normale Einsatzbedingungen wurde der LC-Steckverbinder IEC 63171-1 von CommScope gewählt.

Für raue Einsatzbedingungen – die Steckverbinderfamilie IEC 63171-6 (ehemals 61076-3-125) von HARTING. Diese Steckverbinder sind für Schutzarten von IP20 bis IP67 ausgelegt.

Natürlich können die Steckverbinder und Kabel sowohl UTP als auch STP sein.

Sonstiges

Es kann ein gewöhnliches vierpaariges Ethernet-Kabel verwendet werden, wobei jedes Paar für einen separaten SPE-Kanal genutzt wird. So müssen nicht vier separate Kabel in die Länge gezogen werden. Alternativ kann ein ein Paar-Kabel verwendet werden, und am anderen Ende wird ein Switch für einpaariges Ethernet eingerichtet.

Kann dieser Switch direkt in das lokale Netzwerk des Unternehmens integriert werden, wenn bereits ein Netzwerk über Glasfaser bis in die Ferne verlegt wurde? Sensoren dort anschließen und die Messwerte hier einsehen. Direkt über das Netzwerk. Ohne Interface-Konverter und Gateways.

Und es müssen nicht unbedingt Sensoren sein. Es können auch Kameras, Gegensprechanlagen oder „smarte“ Lampen sein. Antriebe für irgendwelche Ventile oder Drehkreuze an den Eingängen.

Die Perspektiven erscheinen vielversprechend. Sicherlich wird SPE nicht alle Feldbusse ersetzen. Aber einen erheblichen Teil wird er ihnen abnehmen. Besonders in Autos.

PS Ich habe den Text des Standards nicht öffentlich gefunden. Die obigen Informationen wurden aus verschiedenen Präsentationen und verfügbaren Materialien im Internet zusammengetragen. Daher können sie Ungenauigkeiten enthalten.

Quelle: habr.com