Etherneti neljane: vana kiirus, uued võimalused

Seltsiline, et 5. veebruaril käesoleval aastal kinnitati uus standard 10-megabitisele Ethernetile. Jah, lugesite õigesti: kümme megabitti sekundis.

Kellele on 21. sajandil vajalik selline "väike" kiirus? Sellele, et asendada tohutut segadust, mida nimetatakse "väli bussiks" – Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART jne. Neid on liiga palju, nad ei ole omavahel ühilduvad ja on suhteliselt keerulised seadistada. Tõeliselt sooviks lihtsalt kaabli lülitisse ühendada ja kogu lugu. Nagu tavalise Ethernetiga.

Ja peagi saab see võimalikuks! Tere tulemast: "802.3cg-2019 – IEEE standard Ethernetile – Lisand 5: Füüsikalise kihi spetsifikatsioonid ja haldusparameetrid 10 Mb/s tööks ja sellega seotud voolutarnimiseks läbi ühe tasakaalustatud paariga juhtmete."

Miks on see uus Ethernet huvitav? Esiteks – see töötab ühe keermega paari peal, mitte nelja. Seega on tal väiksemad pistikud ja õhemad kaablid. Ja saab kasutada juba paigaldatud keerme paari, mis viib anduriteni ja aktuaatoriteni.

Võite väita, et Ethernet töötab kuni 100 meetrit, kuid andurid asuvad palju kaugemal. Tõepoolest, varem oli see probleem. Kuid 802.3cg töötab kuni 1 km! Ühe paari peal! Mitte paha?

Tegelikkuses on see veelgi parem: sama paari kaudu saab edastada ka voolu. Sellega me ka alustame.

IEEE 802.3bu Andmeside liinide kaudu toide (PoDL)

Usun, et paljud teist on kuulnud PoE-st (Power over Ethernet) ja teavad, et voolu edastamiseks on vaja 2 juhtme paari. Toite sisenemine/väljund toimub iga paari trafo keskpuntides. Ühe paari puhul on seda võimatu teostada. Seetõttu tuli leida teine lahendus. Kuidas täpselt – on alloleval joonisel näidatud. Näidisena on lisatud ka klassikaline PoE.

Siin:
PSE – vooluallika seadmed (toiteallikas)
PD – toidetav seade (seade kaugemas otsas, mis vajab elektrit)

Alguses oli 802.3bu-l 10 toiteklassid:

Värvidega on eristatavad kolm tinglikku pingeklassi: 12, 24 ja 48V.

Märgistused:
Vpse – toiteallika pinge, V
Vpd min – minimaalne pinge PD-l, V
I max – maksimaalne vool joonel, A
Ppd max – maksimaalne tarbitav võimsus PD-l, W

Protokolli 802.3cg lisandudes lisandus veel 6 klassi:

Muidugi, sellise mitmekesisuse korral peavad PSE ja PD kooskõlastama toiteklassid enne, kui peamist pinget antakse. Seda tehakse SCCP (Serial Communications Classification Protocol) abil. See on madala kiirususega protokoll (333 bit/s), mis põhineb 1-Wire'il. See töötab ainult siis, kui liinile ei ole antud peamist toidet (sealhulgas une režiimis).

Blokeeringu diagrammil on kujutatud, kuidas toide antakse:

• antaakse 10 mA vool ja kontrollitakse, kas teisel pool on 4V stabilisaator
• teostatakse toiteklassi kooskõlastamine
• antaa peamine toide
• kui tarbimine langeb alla 10 mA – siseneb une režiimi (antakse ootevõimsus 3.3V)
• kui tarbimine ületab 1 mA – toimub väljund une režiimist

Toiteklassi kooskõlastamine ei pruugi toimuda, kui see on eelnevalt teada. Sellist varianti nimetatakse Kiireks Käivitamisrežiimiks. Seda rakendatakse näiteks autodest, kuna ühendatud seadmete konfiguratsiooni muutmiseks ei ole vajadust.

Une režiimi sisenemist võib algatada kas PSE või PD.

Nüüd liigume andmeedastuse kirjelduse juurde. Seal on samuti huvitav: standardses on määratletud kaks töörežiimi – pikk kaugus ja lühike kaugus.

10BASE-T1L

See variant on mõeldud pika vahemaa jaoks (long reach). Peamised omadused on järgmised:

• toimeulatus – kuni 1 km
• juhtmed 18AWG (0.8 mm2)
• kuni 10 vaheühendust (ja kaks lõppühendust)
• töörežiim punkt-punkt
• täisdüpleks
• sümboolne kiirus 7.5 Mb/s
• modulatsioon PAM-3, kodeerimine 4B3T
• signaaliga, mille amplituud on 1V (1Vpp) või 2.4V
• toetab Energy Efficient Ethernet ("quiet/refresh" EEE)

On ilmne, et see variant on mõeldud tööstuslikuks kasutamiseks, juurdepääsukontrollisüsteemides, hoonete automatiseerimisel, liftides. Katusel asuvate chillereid, konditsioneere, ventilaatoreid juhtimiseks. Või tehnilistes ruumides asuvate küttekatelde ja pumpade juhtimiseks. Seega on palju võimalusi peale tööstuse. Rääkimata asjade internetist (IoT).

Tuleb mainida, et 10BASE-T1 on vaid üks Standardse Ühe Paari Etherneti (SPE) standarditest. On ka 100BASE-T1 (802.3bw) ja 1000BASE-T1 (802.3bp). Tõsi, neid arendati autotööstuse rakenduste jaoks, seega on nende vahemaa vaid 15 (UTP) või 40 meetrit (STP). Kuid plaanides on juba ka kaugem 100BASE-T1L. Nii et tulevikus lisatakse automaatne kiirusühtlus.

Praegu, kui kooskõlastamist ei kasutata, on välja kuulutatud liidese „kiire käivitamine“: vähem kui 100 ms toite andmisest andmevahetuse alguseni.

Veel üks valik (mittetäielik) – edastusamplituudi suurendamine 1-lt 2.4 V-le, et parandada signaal/ umüra suhet, vähendada vigade arvu ja kaitsta tööstuslike häirete vastu.

Ja muidugi EEE. See on viis elektri säästmiseks, lülitades edastamise välja, kui andmeid ei edastata. Diagrammil on näidatud, kuidas see välja näeb:


Andmeid pole – saadame sõnumi "ma läksin magama" ja lülitame end välja. Aeg-ajalt ärkame ja saadame sõnumi "ma olen veel siin". Kui andmed ilmuvad, saadetakse vastaspoolele hoiatusteade "ma ärkan üles" ja edastus algab. See tähendab, et pidevalt töötavad ainult vastuvõtjad.

Nüüd vaatame, mida on välja mõeldud standardi teise variandi puhul.

10BASE-T1S

Viimase tähe järgi on juba selge, et see on protokoll lühikeste vahede jaoks (short reach). Aga miks see vajalik on, kui lühikeste vahede puhul töötab ka T1L? Loe omadusi:

• ulatus kuni 15 m punkt-punkt režiimis
• täisdupleks või pooldupleks
• juhtmed 24-26 AWG (0.2-0.13 mm²)
• sümboolne kiirus 12.5 Mbaud
• DME, kodeerimine 4B5B
• signaal amplituudiga 1 V (1 Vpp)
• kuni 4 vaheühendust (ja kaks lõppühendust)
• EEE tuge ei ole

Tundub, et pole midagi erilist. Miks see siis vajalik on? Seda on vaja:

• ulatus kuni 25 m multipunktrežiimis (kuni 8 sõlme)

Ja seda:

• töörežiim kollisioonide vältimisega PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)

Ja see on juba palju huvitavam, eks? Kuna see aitab oluliselt vähendada kaableid juhtimiskappides, masinates, robotites ja autodest. Ja juba on ettepanekud kasutada seda I2C asendajana. serverites, lülitites ja muudes elektroonikaseadmetes.

Kuid multipunktrežiimil on ka puudused. Peamine neist on jagatav andmeedastuskeskkond. Loomulikult lahendatakse kollisioonid CSMA/CD abil. Kuid ei ole teada, mis viivitus sellega kaasneb. Ja mõnede rakenduste jaoks on see kriitiline. Seetõttu on uues standardis multipunkti täiendatud spetsiaalse režiimiga PLCA RS (vaata järgmist jaotist).

Teine puudus on see, et multipunktis ei tööta PoDL. See tähendab, et toide tuleb edastada eraldiseisva kaabli kaudu või võtta kusagilt kohapealt.

Kuid PoDL töötab punkt-punkt režiimis ka T1S-l.

PLCA RS

See režiim töötab järgmiselt:

• sõlmed jagavad omavahel identifikaatoreid, sõlm ID=0 muutub koordinaatoriks
• koordinaator edastab võrgus BEACON signaali, mis tähendab uue edastustsükli algust ja edastab oma andmepaketti
• andmepaketi edastamise järel liigub edastamise järjekord järgmisele sõlmele
• kui 20 bitti edastamiseks vajalikul ajal sõlm ei alusta edastamist, liigub järjekord järgmisele sõlmele
• kui kõik sõlmed on andmed edastanud (või jätnud oma järjekorra vahele), algab koordinaator uue tsükli

Kokkuvõttes meenutab see TDMA-d. Kuid eripära on see, et sõlm ei kasuta oma ajaraami, kui tal pole midagi edastada. Ja raami suurus pole rangelt määratletud, kuna see sõltub sõlme edastatava andmepaketi suurusest. Ja kõik see töötab standardsete Ethernet 802.3 raamide peal (PLCA RS ei ole kohustuslik, seega peab olema ühilduvus).

PLCA kasutamise tulemus on allpool joonistel. Esimene – latentsus sõltuvalt koormusest, teine – läbilaskevõime sõltuvalt edastavate sõlmede arvust. Hästi on näha, et latentsus on muutunud palju prognoositumaks. Ja halvemal juhul on see 2 järku madalam kui CSMA/CD halvimatel juhtudel:

Ja PLCA puhul on kanali läbilaskevõime kõrgem, kuna see ei kulu konfliktide lahendamiseks:

Pistikud

Esialgu valisime kuuest pistiku variandist, mille pakkusid erinevad firmad. Tulemuseks olid need kaks varianti:

Tavatingimustes valiti CommScope'i LC pistik IEC 63171-1.

Raskedest tingimustest valiti HARTING'i IEC 63171-6 (endine 61076-3-125) pistikute seeria. Need pistikud on kaitstud IP20 kuni IP67.

Muidugi võivad pistikud ja kaablid olla nii UTP kui ka STP.

Muud

Tavaliselt võib kasutada tavalist nelja paari Etherneti kaablit, kasutades iga paari eraldi SPE kanali jaoks. Et mitte vedada nelja eraldi kaablit kuskile kaugele. Või kasutada ühte paari kaabli, mille lõpus on paigaldatud üheliiniline Etherneti lüliti.

Kas see lüliti on võimalik ühendada otse ettevõtte kohaliku võrku, kui kauguses on juba kiudoptiline võrk. Saate sinna ühendada andurid ja jälgida nende näitajaid siit. Otse võrgu kaudu. Ilma liidese konverterite või väravate kasutamiseta.

Ja need ei pea kindlasti olema andurid. Need võivad olla ka kaamerad, fonod või nutikad lambid. Mõne ventiili ajamid või turniketid sissepääsudel.

Seega avanevad huvitavad perspektiivid. Tõenäoliselt ei asenda SPE kõik väljaehitusbusid. Kuid ta võtab neist üsna suure osa. Autos kindlasti.

PS Ma ei leidnud standardi teksti vabatasustuses. Ülaltoodud teave on koostatud erinevatest esitlustest ja internetis kergesti kättesaadavatest materjalidest. Seega võib seal olla ebatäpsusi.

Allikas: habr.com