Etherneti neljandik: vana kiirus, uued võimalused

Sel aasta 5. veebruaril kiideti heaks uus standard 10-megabitise Etherneti jaoks. Jah, te lugesite õigesti: kümme megabitti sekundis.

Milleks on 21. sajandil vajalik nii "väike" kiirus? Selleks, et asendada tohutu segadus, mis peidus on nimetuse "väliskandur" all — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART jne. Need on liiga palju, nad ei ole ühilduvad ja suhteliselt keerulised seadistamiseks. Tõeliselt tahaks lihtsalt kaabli lülitisse pista ja kõik. Nagu tavalise Ethernetiga.

Ja peagi see on võimalik! Tutvuge: "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 a Single Balanced Pair of Conductors."

Miks on see uus Ethernet huvitav? Esiteks — ta töötab ühe pööratud paari kaudu, mitte nelja kaudu. Seetõttu on tal vähem liideseid ja õhemad kaablid. Ja saab kasutada juba paigaldatud pöördpaari, mis viib anduriteni ja teostamisvõimeteni.

V võite vaielda, et Ethernet töötab kuni 100 meetrit, kuid andurid asuvad palju kaugemal. Tõepoolest, see oli varem probleem. Kuid 802.3cg töötab kuni 1 km kaugusel! Ühe paari kaudu! Pole paha?

Tegelikult on veelgi parem: selle sama paari kaudu saab edastada ka toite. Alustame sellega.

IEEE 802.3bu andmestruktuuride toite edastamine (PoDL)

Ma arvan, et paljud teist on kuulnud PoE-st (Power over Ethernet) ning teavad, et toite edastamiseks on vajalikud kaks juhtme paari. Toite sisend/väljund on iga paari transformeerijate keskmistes punktides. Ühe paari abil seda teha ei õnnestu. Seetõttu tuli leida teine lahendus. Kuidas täpselt – on näidatud alloleval joonisel. Näiteks on lisatud ka klassikaline PoE.

Siin:
PSE – toiteallika seadmed
PD – toidetav seade (seade kaugemas otsas, mis tarbib elektrit)

Alguses oli 802.3bu-l 10 toiteklass:

Allpool on märgitud kolm tingimuslikku pingeklassi: 12, 24 ja 48V.

Märgistused:
Vpse — toitepinged, V
Vpd min — minimaalne pinged PD-l, V
I max — maksimaalne vool joonel, A
Ppd max — maksimaalne PD poolt tarbitav võimsus, W

Protokolliga 802.3cg lisandus veel 6 klassi:

Muidugi, sellise mitmekesisuse tõttu peavad PSE ja PD enne täieliku pingega toite andmist nõuetekohaseltédie klassi kokku leppima. Seda teostatakse SCCP (Serial Communications Classification Protocol) abil. See on madala kiirusel töötav protokoll (333 bitti/s), mis põhineb 1-Wire süsteemil. See toimib ainult siis, kui toitejuhtmes ei toimi põhivool (sh unerežiimis).

Toite andmise protsess on joonisel kujutatud:

• antoit muudetakse 10mA ja kontrollitakse stabilizatori olemasolu 4V juures
• toiteklasside kooskõlastamine toimub
• põhivoolu jagamine
• kui tarbimine langeb alla 10mA – lülitub sisse unerežiim (3.3V standby toite andmine)
• kui tarbimine ületab 1mA – toimub unerežiimist väljumine

Toite klasside kooskõlastamist ei ole vaja teostada, kui see on eelnevalt teada. Sellist varianti nimetatakse kiir käivitamise režiimiks. Seda kasutatakse näiteks autodes, kuna seal ei ole vaja muuta ühendatud seadmete konfiguratsiooni.

Unerežiimi sisenemise algatamine on võimalik nii PSE kui ka PD poolt.

Liigume edasi andmeedastuse kirjeldusse. Seal on samuti huvitav: standardis on määratletud kaks töörežiimi – pika vahemaa ja lühikeste vaheaegade jaoks.

10BASE-T1L

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

• töös kaugus – kuni 1 km
• juhtmed 18AWG (0,8 mm²)
• kuni 10 vahepealset ühendust (ja kaks lõppu)
• punkt-punkt töörežiim
• täisdüpleks
• sümboli kiirus 7,5 Mbaud
• moodulatsioon PAM-3, kodeerimine 4B3T
• signaal amplituudiga 1V (1Vpp) või 2,4V
• toetab Energy Efficient Ethernet (“quiet/refresh” EEE)

On ilmne, et see variant on mõeldud tööstuslikuks kasutamiseks, juurdepääsukontrolli süsteemide, hoonete automatiseerimise, liftide jaoks. Katusel asuvate chillide, kliimaseadmete, ventilaatoreid juhtimiseks. Või tehnilistes ruumides asuvate soojuspumpade ja katelde jaoks. See tähendab rohkelt erinevaid rakendusi, mis ei ole seotud pelgalt tööstusega. Rääkimata asjade internetist (IoT).

Oluline on märkida, et 10BASE-T1 on vaid üks Single Pair Ethernet (SPE) standarditest. On olemas ka 100BASE-T1 (802.3bw) ja 1000BASE-T1 (802.3bp). Tõsi, need on välja töötatud autotööstuse rakenduste jaoks, mistõttu nende vahemaa jääb 15 (UTP) või 40 meetrini (STP). Siiski on plaanides ka kaugsõiduks ette nähtud 100BASE-T1L. Nii et tulevikus lisatakse automaatne kiirusreguleerimine.

Aga praegu ei kasutata kiirusreguleerimist – on lubatud „kiire algus“ liidese jaoks: alla 100 ms toite sisselülitamisest andmevahetuse alguseni.

Teine võimalus (valikuline) on suurendada edastuse amplituudi 1-lt 2,4 V-le, et parandada signaali / müra suhet, vähendada vigade arvu ning tuvastada tööstuslikke häireid.

Ja muidugi, EEE. See on elektri säästmise meetod, lülitades välja saatja, kui andmeid pole edastamiseks. Diagrammil on näidatud, kuidas see välja näeb:


Andmeid pole – saadame teate „ma läksin magama“ ja lülitume välja. Aeg-ajalt ärkame ja saadame teate „ma olen veel siin“. Kui andmed ilmuvad, antakse teisele poolele hoiatuseks „ma ärkan üles“ ja edastus algab. See tähendab, et pidevalt töötavad ainult vastuvõtjad.

Vaatame nüüd, mida on välja mõeldud teise standardi variandi kohta.

10BASE-T1S

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

• toimimisulatus kuni 15m punkti-punkti režiimis
• täisdupleks või pooldupleks
• juhtmed 24-26AWG (0.2-0.13mm²)
• sümboli kiirus 12.5Mb/s
• DME, kodeerimine 4B5B
• signaal amplituudiga 1V (1Vpp)
• kuni 4 vaheühendust (ja kaks lõppühendust)
• EEE toetust pole

Tundub, et pole midagi erilist. Aga milleks see siis vajalik on? Siin on põhjused:

• toimimisulatus kuni 25m mitme punktiga režiimis (kuni 8 sõlme)

Ja selleks:

• töömood PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer) konfliktide vältimisega

See on juba palju huvitavam, eks? Kuna see aitab oluliselt vähendada juhtmete arvu juhtimiskappid, masinates, robotites, autodes. Ja juba on tehtud ettepanek seda kasutada I2C asendajana serverites, lülitites ja muudes elektroonikaseadmetes.

Kuid multipoint-režiimil on oma puudused. Peamine neist on jagatud andmeedastus keskkond. Loomulikult lahendatakse kokkupõrked CSMA/CD abil. Kuid pole teada, milline on viivitus. Ja mõnede rakenduste jaoks on see kriitiline. Seetõttu on uus standard lisanud multipointi jaoks spetsiaalse PLCA RS režiimi (vt järgmist jaotist).

Teine puudus on see, et multipoint-režiimis ei tööta PoDL. See tähendab, et toide tuleb anda eraldi kaabli kaudu või leida kohapealt.

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

PLCA RS

See režiim töötab järgmiselt:

• sõlmed jagavad omavahel identifikaatoreid, sõlm ID=0 muutub koordineerijaks
• koordineerija saadab võrku BEACON signaali, mis tähistab uue edastustsükli algust ja edastab oma andmepaketi
• pärast andmepaketi edastamist liikub edastusjärjekord järgmisele sõlmele
• kui 20 bitti edastamiseks vajalikus ajas ei alustanud sõlm edastamist, liigub järjekord järgmisele sõlmele
• kui kõik sõlmed on andmed edastanud (või jätnud oma järjekorra vahele), alustab koordineerija uut tsüklit

Üldiselt sarnaneb see TDMA-le. Kuid omadusega, et sõlme ei kasuta oma ajaraami, kui tal pole midagi edastada. Ja raami suurus ei ole rangelt määratud, kuna see sõltub sõlme edastatavast andmepaketi suurusest. Kõik see töötab standardsete Ethernet 802.3 raamide peal (PLCA RS ei ole kohustuslik, seega peab toimuma ühilduvus).

PLCA kasutamise tulemused on allpool graafikutes. Esimene – viivitus sõltuvalt koormusest, teine – ribalaius sõltuvalt edastavate sõlmede arvust. On selgelt näha, et viivitus on muutunud palju ennustatumaks. Ja halvemal juhul on see kaks korda väiksem kui halvemal juhul CSMA/CD puhul:

Ja kanali ribalaius on PLCA korral kõrgem, kuna seda ei kulutata kollisioonide lahendamisele:

Pistikud

Esialgu valiti kuue erineva tootja pakutud pistiku variandi hulgast. Lõppkokkuvõttes peatusime nende kahe variandi peal:

Tavatingimuste jaoks valiti CommScope'i LC pistik IEC 63171-1.

Raskete töötingimuste jaoks valiti HARTINGi IEC 63171-6 (endine 61076-3-125) pistikute perede kogum. Need pistikud on kaitstud IP20 kuni IP67 klasside vastu.

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

Muud

Tavalist neljapaari Etherneti kaablit saab kasutada, kasutades iga paari eraldi SPE kanali jaoks. Et mitte vedada nelja eraldi kaablit kuhugi kaugele. Või kasutada ühte paarikaablit, mille lõpus on ühemassis Etherneti lüliti.

Seda lülitit saab otse ettevõtte kohaliku võrku ühendada, kui seal on juba kaugele viidud kiudoptiline võrguühendus. Ühendada sinna andurid ja jälgida nende näitudeid siin samas. Otse võrgu kaudu. Ilma liidese muundurite ja väravate vajaduseta.

Ja need ei pea tingimata olema andurid. Need võivad olla ka kaamerad, fonolukud või "targad" lambid. Mõne ventiili mootori või turvaväravate mehhanismid.

Nii et huvitavad perspektiivid avanevad. Tõenäoliselt SPE ei asenda kõiki väli-busse. Kuid see võtab kindlasti neist märkimisväärse osa. Eriti autodes.

PS Ma ei leidnud standardi teksti avalikus juurdepääsus. Ülaltoodud teave on kogutud erinevatest esitlustest ja internetis kergesti kättesaadavatest materjalidest. Seega võivad selles olla ebatäpsused.

Allikas: habr.com