چهارم اترنت: سرعت قدیمی، فرصت های جدید

در 5 فوریه سال جاری استاندارد جدیدی برای اترنت 10 مگابیت تصویب شد. بله، درست خواندید: ده مگابیت در ثانیه.

چرا در قرن بیست و یکم به چنین سرعت "کمی" نیاز است؟ برای جایگزینی باغ وحشی که تحت نام بزرگ "فیلد باس" پنهان شده است - Profibus، Modbus، CC-Link، CAN، FlexRay، HART و غیره. تعداد آنها بسیار زیاد است، آنها با یکدیگر ناسازگار هستند و پیکربندی آنها نسبتاً دشوار است. اما شما فقط می خواهید کابل را به سوئیچ وصل کنید، و تمام. مانند اترنت معمولی.

و به زودی امکان پذیر خواهد بود! Meet: "802.3cg-2019 - استاندارد IEEE برای اترنت - اصلاحیه 5: مشخصات لایه فیزیکی و پارامترهای مدیریتی برای عملیات 10 مگابیت بر ثانیه و تحویل توان مرتبط روی یک جفت رسانا متوازن."

چه چیزی در مورد این اترنت جدید هیجان انگیز است؟ اول از همه، روی یک جفت پیچ خورده کار می کند، نه بیش از چهار. بنابراین کانکتورهای کمتر و کابل های نازک تری دارد. و می توانید از کابل جفت پیچ خورده که از قبل به سنسورها و محرک ها می رود استفاده کنید.

می توانید استدلال کنید که اترنت تا 100 متر کار می کند، اما سنسورها بسیار دورتر قرار دارند. در واقع، این قبلا یک مشکل بود. اما 802.3cg در فاصله 1 کیلومتری کار می کند! یک جفت در یک زمان! بد نیست؟

در واقع، حتی بهتر: برق را می توان از طریق همان جفت نیز تامین کرد. از آنجا شروع خواهیم کرد.

IEEE 802.3bu قدرت از طریق خطوط داده (PoDL)

فکر می‌کنم بسیاری از شما در مورد PoE (توان از طریق اترنت) شنیده‌اید و می‌دانید که برای انتقال برق به ۲ جفت سیم نیاز است. ورودی/خروجی برق در نقاط میانی ترانسفورماتورهای هر جفت ساخته می شود. این کار را نمی توان با استفاده از یک جفت انجام داد. بنابراین، ما مجبور شدیم این کار را متفاوت انجام دهیم. نحوه دقیق آن در شکل زیر نشان داده شده است. به عنوان مثال PoE کلاسیک نیز اضافه شده است.

در اینجا:
PSE - تجهیزات منبع تغذیه (منبع تغذیه)
PD - دستگاه تغذیه (دستگاه دور دست که برق مصرف می کند)

در ابتدا، 802.3bu دارای 10 کلاس قدرت بود:

سه درجه بندی معمولی ولتاژ منبع با رنگ مشخص شده است: 12، 24 و 48 ولت.

عنوان ها:
Vpse - ولتاژ منبع تغذیه، V
Vpd دقیقه - حداقل ولتاژ در PD، V
I max - حداکثر جریان در خط، A
حداکثر Ppd - حداکثر توان مصرفی PD، W

با ظهور پروتکل 802.3cg، 6 کلاس دیگر اضافه شد:

البته با چنین تنوعی، PSE و PD باید قبل از اعمال ولتاژ کامل، در مورد کلاس توان توافق کنند. این کار با استفاده از SCCP (پروتکل طبقه بندی ارتباطات سریال) انجام می شود. این یک پروتکل با سرعت کم (333 bps) بر اساس 1-Wire است. فقط زمانی کار می کند که برق اصلی به خط (از جمله در حالت خواب) تامین نشود.

بلوک دیاگرام نحوه تامین برق را نشان می دهد:

• جریان 10 میلی آمپر تامین می شود و وجود دیود زنر 4 ولت در آن انتها بررسی می شود.
• کلاس قدرت توافق شده است
• برق اصلی تامین می شود
• اگر مصرف به زیر 10 میلی آمپر کاهش یابد، حالت خواب فعال می شود (تامین برق آماده به کار 3.3 ولت)
• اگر مصرف بیش از 1 میلی آمپر باشد، حالت خواب خارج می شود

در صورت اطلاع از قبل، نیازی به توافق بر سر کلاس غذایی نیست. این گزینه Fast Startup Mode نام دارد. به عنوان مثال، در اتومبیل استفاده می شود، زیرا نیازی به تغییر پیکربندی تجهیزات متصل نیست.

هر دو PSE و PD می توانند حالت خواب را شروع کنند.

حال به توضیح انتقال داده می پردازیم. در آنجا نیز جالب است: استاندارد دو حالت عملیاتی را تعریف می کند - برد بلند و برای مسافت های کوتاه.

10BASE-T1L

این یک گزینه طولانی است. مشخصات اصلی به شرح زیر است:

• برد - تا 1 کیلومتر
• هادی 18AWG (0.8mm2)
• حداکثر 10 کانکتور میانی (و دو کانکتور ترمینال)
• حالت عملکرد نقطه به نقطه
• دوبلکس کامل
• نرخ نماد 7.5 Mbaud
• مدولاسیون PAM-3، رمزگذاری 4B3T
• سیگنال با دامنه 1V (1Vpp) یا 2.4V
• پشتیبانی از اترنت کارآمد انرژی ("آرام/تجدید" EEE).

بدیهی است که این گزینه برای کاربردهای صنعتی، سیستم های کنترل دسترسی، اتوماسیون ساختمان، آسانسورها در نظر گرفته شده است. برای کنترل چیلرها، تهویه مطبوع و فن های مستقر در پشت بام. یا دیگ های گرمایش و پمپ های واقع در اتاق های فنی. به این معنی که علاوه بر صنعت، کاربردهای مختلفی نیز وجود دارد. به اینترنت اشیا (IoT) اشاره نکنیم.

شایان ذکر است که 10BASE-T1 تنها یکی از استانداردهای اترنت تک جفت (SPE) است. همچنین 100BASE-T1 (802.3bw) و 1000BASE-T1 (802.3bp) وجود دارد. درست است، آنها برای کاربردهای خودرو ساخته شده اند، بنابراین برد در آنجا تنها 15 (UTP) یا 40 متر (STP) است. با این حال، برنامه ها در حال حاضر شامل یک 100BASE-T1L دوربرد هستند. بنابراین در آینده آنها مذاکره خودکار سرعت را اضافه خواهند کرد.

در عین حال، از هماهنگی استفاده نمی شود - یک "شروع سریع" رابط اعلام شده است: کمتر از 100 میلی ثانیه از منبع تغذیه تا شروع تبادل داده.

گزینه دیگر (اختیاری) افزایش دامنه انتقال از 1 به 2.4 ولت برای بهبود نسبت سیگنال به نویز، کاهش تعداد خطاها و مقابله با تداخل صنعتی است.

و البته EEE. این روشی است برای صرفه جویی در مصرف برق با خاموش کردن فرستنده در صورتی که در حال حاضر هیچ داده ای برای انتقال وجود نداشته باشد. نمودار نشان می دهد که چگونه به نظر می رسد:


بدون داده - ما پیام "من به رختخواب رفتم" ارسال می کنیم و اتصال را قطع می کنیم. گاهی اوقات از خواب بیدار می شویم و پیام "من هنوز اینجا هستم" را می فرستیم. هنگامی که داده ها ظاهر می شوند، به طرف مقابل هشدار داده می شود "من بیدار می شوم" و انتقال شروع می شود. یعنی فقط گیرنده ها مدام کار می کنند.

حالا بیایید ببینیم آنها با نسخه دوم استاندارد چه چیزی را ارائه کردند.

10BASE-T1S

در حال حاضر از حرف آخر مشخص است که این یک پروتکل برای مسافت های کوتاه است. اما اگر T1L در فواصل کوتاه کار کند، چرا به آن نیاز است؟ خواندن خصوصیات:

• برد تا 15 متر در حالت نقطه به نقطه
• دوبلکس یا نیم دوبلکس
• проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
• نرخ نماد 12.5 Mbaud
• DME با کد 4B5B
• سیگنال با دامنه 1V (1Vpp)
• حداکثر 4 کانکتور میانی (و دو کانکتور ترمینال)
• بدون پشتیبانی EEE

انگار چیز خاصی نیست پس برای چیست؟ اما برای این:

• برد تا 25 متر در حالت چند نقطه ای (تا 8 گره)

و این:

• حالت کار با اجتناب از برخورد PLCA RS (زیرلایه آشتی جلوگیری از برخورد سطح PHY)

و این خیلی جالب تر است، اینطور نیست؟ زیرا به کاهش تعداد سیم‌ها در کابینت‌های کنترل، ماشین‌ها، روبات‌ها و ماشین‌ها کمک می‌کند. و در حال حاضر پیشنهادهایی برای استفاده از آن به عنوان جایگزینی برای I2C در سرورها، سوئیچ ها و سایر لوازم الکترونیکی وجود دارد.

اما حالت چند نقطه ای معایبی دارد. اصلی ترین یک رسانه انتقال داده مشترک است. البته برخوردها با استفاده از CSMA/CD حل می شوند. اما معلوم نیست این تاخیر چقدر خواهد بود. و برای برخی از برنامه ها این مهم است. بنابراین، در استاندارد جدید، چند نقطه با یک حالت خاص PLCA RS تکمیل شد (به بخش بعدی مراجعه کنید).

دومین اشکال این است که PoDL در چند نقطه کار نمی کند. یعنی برق باید از طریق یک کابل جداگانه تامین شود یا از جایی در محل گرفته شود.

با این حال، در حالت نقطه به نقطه، PoDL روی T1S نیز کار می کند.

PLCA RS

این حالت به صورت زیر عمل می کند:

• گره ها شناسه ها را بین خودشان توزیع می کنند، گره با ID=0 هماهنگ کننده می شود
• هماهنگ کننده یک سیگنال BEACON به شبکه صادر می کند که نشان دهنده آغاز یک چرخه انتقال جدید است و بسته داده خود را ارسال می کند.
• پس از ارسال یک بسته داده، صف انتقال به گره بعدی منتقل می شود
• اگر گره در مدت زمان لازم برای ارسال 20 بیت شروع به ارسال نکرده باشد، صف به گره بعدی منتقل می شود.
• هنگامی که همه گره ها داده ها را ارسال کردند (یا از نوبت خود گذشتند)، هماهنگ کننده چرخه جدیدی را آغاز می کند

به طور کلی شبیه TDMA است. اما با این ویژگی که گره اگر چیزی برای انتقال نداشته باشد از چارچوب زمانی خود استفاده نمی کند. و اندازه قاب دقیقاً تعریف نشده است، زیرا ... بستگی به اندازه بسته داده ارسال شده توسط گره دارد. و همه آن در بالای فریم‌های اترنت استاندارد 802.3 اجرا می‌شود (PLCA RS اختیاری است، بنابراین باید سازگاری وجود داشته باشد).

نتیجه استفاده از PLCA در نمودارهای زیر نشان داده شده است. اولی تأخیر بسته به بار است، دومی توان عملیاتی بسته به تعداد گره های ارسال کننده است. به وضوح قابل توجه است که تاخیر بسیار قابل پیش بینی تر شده است. و در بدترین حالت 2 مرتبه قدر کمتر از CSMA/CD است:

و ظرفیت کانال در مورد PLCA بیشتر است، زیرا برای حل و فصل برخوردها هزینه نمی شود:

اتصالات

در ابتدا، ما از میان 6 گزینه اتصال ارائه شده توسط شرکت های مختلف را انتخاب کردیم. در نتیجه، ما به این دو گزینه رضایت دادیم:

برای شرایط عملیاتی عادی، کانکتور IEC 63171-1 LC CommScope انتخاب شد.

برای محیط های خشن - خانواده رابط IEC 63171-6 (61076-3-125 سابق) از HARTING. این کانکتورها برای درجاتی از حفاظت از IP20 تا IP67 طراحی شده اند.

البته کانکتورها و کابل ها می توانند UTP یا STP باشند.

دیگر

می توانید از یک کابل اترنت چهار جفت معمولی استفاده کنید و از هر جفت برای یک کانال SPE جداگانه استفاده کنید. به طوری که چهار کابل مجزا را به جایی دورتر نکشید. یا از کابل تک جفتی استفاده کنید و یک سوئیچ اترنت تک جفتی را در انتهای آن نصب کنید.

یا می‌توانید این سوئیچ را مستقیماً به شبکه محلی شرکت متصل کنید، اگر یک شبکه قبلاً از طریق فیبر نوری در فواصل طولانی گسترش یافته است. حسگرها را در آنجا بچسبانید و قرائت‌های آنها را اینجا بخوانید. به طور مستقیم در شبکه بدون مبدل رابط و دروازه.

و اینها لزوما نباید حسگر باشند. ممکن است دوربین های ویدئویی، اینترکام یا لامپ های هوشمند وجود داشته باشد. درایوهای برخی از شیرها یا گردان ها در ورودی ها.

بنابراین چشم اندازهای جالبی در حال باز شدن هستند. البته بعید است که SPE جایگزین تمام اتوبوس های میدانی شود. اما او یک تکه منصفانه از آنها خواهد گرفت. حتما در ماشین ها

PS متن استاندارد را در حوزه عمومی پیدا نکردم. اطلاعات فوق تکه تکه از ارائه ها و مطالب مختلف موجود در اینترنت جمع آوری شده است. بنابراین ممکن است نادرستی در آن وجود داشته باشد.

منبع: www.habr.com