Le 5 février de cette année, une nouvelle norme pour l'Ethernet à 10 mégabits a été approuvée. Oui, vous avez bien lu : dix mégabits par seconde.
Pourquoi une telle « petite » vitesse est-elle nécessaire au 21ème siècle ? Pour remplacer le zoo qui se cache derrière le terme générique « bus de terrain » — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART, etc. Ils sont trop nombreux, incompatibles entre eux et relativement complexes à configurer. On voudrait simplement brancher un câble dans un commutateur, et c'est tout. Comme avec un Ethernet classique.
Et bientôt, cela deviendra possible ! Faites connaissance avec : « 802.3cg-2019 — Norme IEEE pour Ethernet — Amendement 5 : Spécifications de la couche physique et paramètres de gestion pour l'opération à 10 Mb/s et alimentation associée sur une paire de conducteurs équilibrés unique ».
Qu'est-ce qui rend cet Ethernet nouveau si intéressant ? Avant tout, il fonctionne sur une seule paire torsadée, et non sur quatre. Par conséquent, il a des connecteurs plus petits et des câbles plus fins. Il est également possible d'utiliser une paire torsadée déjà installée, allant aux capteurs et aux actionneurs.
Vous pourriez dire qu'Ethernet fonctionne jusqu'à 100 mètres, alors que les capteurs sont situés beaucoup plus loin. En effet, cela était un problème auparavant. Mais le 802.3cg fonctionne à des distances allant jusqu'à 1 km ! Sur une seule paire ! Pas mal, non ?
En réalité, c'est encore mieux : la même paire peut également fournir de l'alimentation. C'est par là que nous commencerons.
IEEE 802.3bu Alimentation par les lignes de données (PoDL)
Je pense que beaucoup d'entre vous ont entendu parler de PoE (Power over Ethernet) et savent que pour transmettre l'alimentation, il faut 2 paires de fils. L'entrée/sortie de l'alimentation est effectuée aux points intermédiaires des transformateurs de chaque paire. Avec une paire, cela est impossible. Il a donc fallu procéder autrement. Comment exactement est montré sur l'image ci-dessous. Pour l'exemple, un PoE classique a également été ajouté.
Ici :
PSE – équipement d'alimentation (source d'alimentation)
PD – dispositif alimenté (appareil à l'autre extrémité consommant de l'électricité)
À l'origine, 802.3bu avait 10 classes d'alimentation :
En couleur, trois distinctions conditionnelles de la tension source : 12, 24 et 48V.
Désignations :
Vpse — tension de l'alimentation, V
Vpd min — tension minimale sur PD, V
I max — courant maximal dans la ligne, A
Ppd max — puissance maximale consommée par PD, W
Avec l'apparition du protocole 802.3cg, six nouvelles classes ont été ajoutées :
Évidemment, avec une telle diversité, le PSE et le PD doivent convenir de la classe d'alimentation avant de fournir la tension complète. Cela se fait via le SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Il s'agit d'un protocole à basse vitesse (333 bps) basé sur le 1-Wire. Il ne fonctionne que lorsque l'alimentation principale n'est pas appliquée sur la ligne (y compris en mode veille).
Le schéma montre comment l'alimentation est fournie :
- un courant de 10 mA est appliqué et la présence d'un régulateur à 4 V est vérifiée à l'autre extrémité
- la classe d'alimentation est négociée
- l'alimentation principale est fournie
- si la consommation tombe en dessous de 10 mA – le mode veille est activé (fourniture d'alimentation de veille de 3.3 V)
- si la consommation dépasse 1 mA – sortie du mode veille
La négociation de la classe d'alimentation n'est pas nécessaire si elle est déjà connue à l'avance. Ce mode est appelé Mode de Démarrage Rapide. Il est utilisé, par exemple, dans les voitures, car il n'est pas nécessaire de changer la configuration de l'équipement connecté.
Le passage en mode veille peut être initié tant par le PSE que par le PD.
Passons maintenant à la description de la transmission de données. C'est également intéressant : la norme définit deux modes de fonctionnement – long port et courts distances.
10BASE-T1L
C'est une option pour une grande portée (long reach). Les principales caractéristiques sont les suivantes :
- portée – jusqu'à 1 km
- conducteurs de 18 AWG (0.8 mm²)
- jusqu'à 10 connecteurs intermédiaires (et deux terminaux)
- mode de fonctionnement point à point
- full duplex
- débit symbolique de 7.5 Mb/s
- modulation PAM-3, codage 4B3T
- signal avec une amplitude de 1 V (1 Vpp) ou 2.4 V
- support de l'Ethernet Énergétiquement Efficace (EEE, « silencieux/rafraîchissement »)
Il est évident que cette option est destinée à des applications industrielles, à des systèmes de contrôle d'accès, à l'automatisation des bâtiments, à des ascenseurs. Pour gérer les refroidisseurs, les climatiseurs, les ventilateurs situés sur les toits. Ou les chaudières et pompes dans les salles techniques. En d'autres termes, de nombreuses applications au-delà de l'industrie. Sans parler de l'Internet des objets (IoT).
Il convient de mentionner que le 10BASE-T1 est seulement l'un des standards du Single Pair Ethernet (SPE). Il y a aussi le 100BASE-T1 (802.3bw) et le 1000BASE-T1 (802.3bp). En réalité, ils ont été développés pour des applications automobiles, donc la portée n'est que de 15 mètres (UTP) ou 40 mètres (STP). Cependant, il y a déjà des plans pour un 100BASE-T1L de longue portée. Donc, des accords de débit seront ajoutés à l'avenir.
En attendant que l'accord ne soit pas utilisé, un « démarrage rapide » de l'interface est annoncé : moins de 100 ms depuis l'alimentation jusqu'au début de l'échange de données.
Une autre option (facultative) consiste à augmenter l'amplitude de transmission de 1 à 2,4 V pour améliorer le rapport signal/bruit, réduire le nombre d'erreurs et lutter contre les interférences industrielles.
Et bien sûr, l'EEE. C'est un moyen d'économiser de l'électricité en désactivant l'émetteur lorsqu'il n'y a pas de données à transmettre. Le diagramme montre à quoi cela ressemble :
Pas de données - on envoie le message « je suis en train de dormir » et on se déconnecte. On se réveille de temps en temps et on envoie le message « je suis encore ici ». Lorsque des données apparaissent, un avertissement « je me réveille » est envoyé à l'autre partie et la transmission commence. Cela signifie que seuls les récepteurs fonctionnent en permanence.
Voyons maintenant ce qui a été proposé avec la deuxième variante de la norme.
10BASE-T1S
Le dernier caractère révèle déjà qu'il s'agit d'un protocole pour des distances courtes (short reach). Mais à quoi cela sert-il, alors que T1L fonctionne également à courte distance ? Regardons les caractéristiques :
- distance de fonctionnement jusqu'à 15 m en mode point à point
- duplex ou semi-duplex
- conducteurs 24-26AWG (0,2-0,13 mm²)
- vitesse symbolique de 12,5 Mb/s
- DME, codage 4B5B
- signal avec une amplitude de 1 V (1Vpp)
- jusqu'à 4 connecteurs intermédiaires (et deux terminaux)
- pas de support EEE
Cela semble banal. Alors, à quoi cela sert-il ? Voici pourquoi :
- distance de fonctionnement jusqu'à 25 m en mode multipoint (jusqu’à 8 nœuds)
Et cela :
- mode de fonctionnement avec évitement de collision PLCA RS (sous-couche de réconciliation de l'évitement de collision au niveau PHY)
Et cela devient beaucoup plus intéressant, n'est-ce pas ? Cela contribue à réduire considérablement le nombre de câbles dans les armoires de commande, les machines, les robots, les voitures. Des propositions existent déjà pour l'utiliser comme remplacement de l'I2C dans serveurs, les commutateurs et d'autres appareils électroniques.
Mais le mode multipoint a des inconvénients. Le principal d'entre eux est le milieu de transmission de données partagé. Bien sûr, les collisions sont résolues grâce au CSMA/CD. Mais il est impossible de savoir quel délai en résultera. Et pour certaines applications, c'est critique. Par conséquent, la nouvelle norme a complété le multipoint avec un mode spécial PLCA RS (voir la section suivante).
Le deuxième inconvénient est que PoDL ne fonctionne pas en mode multipoint. Cela signifie que l'alimentation devra être fournie par un câble séparé ou prise sur place.
Cependant, en mode point à point, PoDL fonctionne également sur T1S.
PLCA RS
Ce mode fonctionne comme suit :
- les nœuds échangent des identifiants, le nœud avec ID=0 devient le coordonnateur
- le coordonnateur émet un signal BEACON dans le réseau, signifiant le début d'un nouveau cycle de transmission et transmet son paquet de données
- après la transmission du paquet de données, la queue de transmission passe au nœud suivant
- si, dans le temps nécessaire pour transmettre 20 bits, le nœud n'a pas commencé la transmission, la queue passe au nœud suivant
- quand tous les nœuds ont transmis des données (ou ont passé leur tour), le coordonnateur commence un nouveau cycle
Dans l'ensemble, cela ressemble à TDMA. Mais avec la particularité que le nœud n'utilise pas son créneau temporel s'il n'a rien à transmettre. Et la taille du créneau n'est pas strictement définie, car elle dépend de la taille du paquet de données transmis par le nœud. Et tout cela fonctionne au-dessus des trames Ethernet standard 802.3 (PLCA RS n'est pas obligatoire, donc une compatibilité est nécessaire).
Les résultats de l'utilisation de PLCA sont visibles ci-dessous dans les graphiques. Le premier montre la latence en fonction de la charge, le second la bande passante en fonction du nombre de nœuds transmetteurs. Il est clairement visible que la latence est devenue beaucoup plus prévisible. Et elle est, dans le pire des cas, 2 ordres de grandeur inférieure à celle du pire des cas CSMA/CD :
Et la bande passante du canal dans le cas de PLCA est supérieure, car rien n'est gaspillé pour résoudre les collisions :
Connecteurs
Initialement, nous avons choisi parmi 6 options de connecteurs proposées par différentes entreprises. Finalement, nous nous sommes arrêtés sur ces deux options :
Pour des conditions d'exploitation normales, le connecteur LC IEC 63171-1 de CommScope a été choisi.
Pour des conditions d’exploitation difficiles – la famille de connecteurs IEC 63171-6 (ancien 61076-3-125) de HARTING. Ces connecteurs sont conçus pour des niveaux de protection allant de IP20 à IP67.
Bien sûr, les connecteurs et les câbles peuvent être à la fois UTP et STP.
Autre
Il est possible d'utiliser un câble Ethernet à quatre paires standard, en utilisant chaque paire pour un canal SPE distinct. Pour éviter d'étendre quatre câbles individuels à distance. Ou d'utiliser un câble à une seule paire, et de placer un commutateur Ethernet à une paire à l'autre extrémité.
Peut-on connecter ce commutateur directement au réseau local de l'entreprise, si un réseau en fibre optique a déjà été installé jusqu'à de loin ? Brancher des capteurs là-bas, et visualiser leurs mesures ici, directement sur le réseau. Sans convertisseurs d'interface ni passerelles.
Et il ne s'agit pas forcément de capteurs. Cela pourrait être des caméras vidéo, des interphones ou des ampoules « intelligentes ». Des actionneurs pour certains vannes ou des tourniquets dans les passages.
Il s'ouvre donc des perspectives intéressantes. Bien sûr, SPE ne remplacera pas tous les bus de terrain. Mais il va en absorber une bonne partie. En tout cas, cela est sûr dans les voitures.
PS Je n'ai pas trouvé le texte de la norme en accès libre. Les informations ci-dessus ont été collectées par morceaux à partir de différentes présentations et matériaux disponibles sur Internet. Il peut donc y avoir des inexactitudes.
Source : habr.com
