Idén február 5-én megerősítették az új standardot a 10 megabites Ethernethez. Igen, jól olvasta: tíz megabit másodpercenként.
Miért van szükség a 21. században egy ilyen «kicsi» sebességre? Azoknak a különböző protokolloknak a helyettesítésére, amelyek tömör nevén 'mezőbuszként' ismertek — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART stb. Túl sokan vannak, nem kompatibilisek egymással, és viszonylag nehezen beállíthatók. Pedig sokkal egyszerűbb lenne csak bedugni a kábelt a switchez, és kész. Mint a hagyományos Ethernet esetén.
Hamarosan ez lehetővé válik! Ismerkedjen meg: '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.'
Mitől érdekes ez az új Ethernet? Először is, egyetlen csavart páron működik, nem négyen. Ezért kevesebb csatlakozója és vékonyabb kábelei vannak. Ráadásul már meglévő csavart párt is használhat, amely a szenzorokhoz és az végrehajtó mechanizmusokhoz vezet.
Ellenérvet emelhet, hogy az Ethernet akár 100 méterig működik, míg a szenzorok sokkal távolabb helyezkednek el. Valóban, korábban ez probléma volt. De az 802.3cg 1 km-es távolságig működik! Egyetlen páron! Nem rossz?
Valójában még jobb: ugyanazzal a párral áramot is lehet szolgáltatni. Erről fogunk beszélni először.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Gondolom, sokan hallottak már a PoE-ről (Power over Ethernet) és tudják, hogy az áram átadásához 2 pár vezeték szükséges. Az árambe- és kimenet a pár minden transzformátorának középpontjában van. Egyetlen pár használatával ezt nem lehet megvalósítani. Ezért más megoldást kellett találni. Hogyan — az alábbi ábrán látható. Példaként a klasszikus PoE is szerepel.
Itt:
PSE — power sourcing equipment (áramforrás)
PD — powered device (az áramot fogyasztó készülék a végén)
Kezdetben az 802.3bu 10 tápegységi osztályt tartalmazott:
A három feszültségszintet színnel jelöltük: 12, 24 és 48V.
Jelölések:
Vpse — tápegység feszültsége, V
Vpd min — minimális feszültség a PD-én, V
I max — maximális áram a vonalban, A
Ppd max — maximális fogyasztott teljesítmény a PD-től, W
A 802.3cg protokoll megjelenésével további 6 osztály került hozzá:
Természetesen, ilyen sokféleség mellett a PSE-nek és a PD-nek egyeztetnie kell az energiaellátás osztályát, mielőtt teljes feszültséget alkalmaznak. Ezt az SCCP (Serial Communications Classification Protocol) segítségével végzik. Ez egy alacsony sebességű protokoll (333 bit/s), amely a 1-Wire-on alapul. Csak akkor működik, amikor a vonalon nincs fő tápellátás (beleértve az alvó módot is).
A blokkvázlat megmutatja, hogyan történik az energiaellátás:
- 10mA áramot adunk át, és ellenőrizzük a 4V-os stabilitást a végén.
- megtörténik az energiaosztály egyeztetése.
- fő táplálás kerül átadásra.
- ha a fogyasztás 10mA alá csökken – alvó módba lépünk (3.3V éjjeli áramellátás).
- ha a fogyasztás meghaladja az 1mA-t – kilép alvó módból.
Az energiaosztály egyeztetése nem szükséges, ha az előre ismert. Ezt a módot Fast Startup Mode-nak hívják. Például autókban alkalmazzák, mivel ott nincs szükség a csatlakoztatott berendezések konfigurációjának módosítására.
Az alvó módba való átmenetet kezdeményezheti a PSE vagy a PD.
Most térjünk át az adatátvitel leírására. Ott is érdekes: a szabvány két üzemmódot határoz meg – távoli és kis távolságú.
10BASE-T1L
Ez a nagy távolságú (long reach) verzió. Főbb jellemzői a következők:
- hatótávolság – akár 1 km-ig.
- vezetékek 18AWG (0.8 mm2).
- legfeljebb 10 köztes csatlakozó (és két végcsatlakozó).
- pont-pont üzemmód.
- teljes duplex.
- szimbólumsebesség 7.5Mb/s.
- PAM-3 moduláció, 4B3T kódolás.
- 1V (1Vpp) vagy 2.4V amplitúdójú jel.
- Energy Efficient Ethernet támogatás (“quiet/refresh” EEE).
Nyilvánvaló, hogy ez a verzió ipari alkalmazásokra, hozzáférés-ellenőrző rendszerekre, épületek automatizálására, liftekre szánt. A tetőn elhelyezett hűtők, légkondicionálók, ventilátorok vezérlésére. Vagy a műszaki helyiségekben található fűtőbojlerekre és szivattyúkra. Tehát számos alkalmazás mellett az iparon kívül. Nem is beszélve az IoT-ről.
Meg kell említeni, hogy a 10BASE-T1 csak az egyik standard a Single Pair Ethernet (SPE) közül. Van még 100BASE-T1 (802.3bw) és 1000BASE-T1 (802.3bp). Igaz, ezeket gépjárműalkalmazásokhoz fejlesztették ki, ezért ott a távolság csak 15 (UTP) vagy 40 méter (STP). Azonban már tervezés alatt áll a távoli 100BASE-T1L. Tehát a jövőben automatikus sebességképességet fognak hozzáadni.
Amíg a jóváhagyás nem használatos, a felhasználói felület "gyors indítása" van bevezetve: kevesebb mint 100 ms az áramellátás bekapcsolásától az adatrögzítés kezdetéig.
Még egy választható opció – a jelküldés amplitúdójának növelése 1-ről 2,4V-ra a jel/zaj arány javítása, a hibák csökkentése és az ipari zavarok elleni védekezés érdekében.
Természetesen EEE is van. Ez egy módszer az elektromos energia megtakarítására az adó kikapcsolásával, ha éppen nincs adatküldés. A diagram bemutatja, hogyan néz ez ki:
Nincs adat – üzenetet küldünk, hogy "elmentem aludni" és kikapcsoljuk magunkat. Ritkán felébredünk és üzenetet küldünk, hogy "még itt vagyok". Amikor adatok jelennek meg, a másik félnek figyelmeztetést küldünk, hogy "ébredek" és kezdetét veszi az adatküldés. Tehát csak a vevők működnek folyamatosan.
Most nézzük meg, mit találtunk ki a szabvány második változatával.
10BASE-T1S
Már az utolsó betűből világos, hogy ez egy rövid távú protokoll. De miért van szükség rá, ha a rövid távolságoknál a T1L is működik? Olvassuk el a specifikációkat:
- maximális hatótávolság 15m pont-pont módban
- duplex vagy fél duplex
- vezetékek 24-26AWG (0.2-0.13mm²)
- szimbolikus sebesség 12,5 Mbaud
- DME, 4B5B kódolás
- 1V-os jel (1Vpp) amplitúdóval
- akár 4 köztes csatlakozó (és két végpont)
- nincs EEE támogatás
Úgy tűnik, nem különösebben érdekes. Szóval mire is van szükség rá? Erre:
- maximális hatótávolság 25m multipoint módban (akár 8 csomópont)
És erre:
- ütközésmegelőző üzemmód PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
Ez már sokkal érdekesebb, nemde? Mivel jelentősen csökkenti a kábelek számát a vezérlőszekrényekben, gépekben, robotokban, autókban. Már vannak javaslatok, hogy I2C helyettesítőjeként használják szervereken, switcherekben és egyéb elektronikában.
De a multipoint üzemmódnak vannak hátrányai. Az egyik fő hátrány a megosztott adatátviteli környezet. Persze, az ütközések kezelése CSMA/CD segítségével történik. De nem tudni, hogy ez milyen késleltetést eredményez. Ez pedig egyes alkalmazásoknál kritikus lehet. Mivel az új szabványban a multipoint-ot kiegészítették egy speciális PLCA RS üzemmóddal (lásd következő szakasz).
A második hátrány, hogy a multipoint-ban a PoDL nem működik. Tehát a tápegységet külön kábelen kell biztosítani, vagy helyben kell egy forrást találni.
Egyébként a PoDL pont-pont módban T1S-en is működik.
PLCA RS
Ez a mód a következőképpen működik:
- a csomópontok azonosítókat osztanak meg egymással, a 0 azonosítóval rendelkező csomópont koordinátor lesz
- a koordinátor BEACON jelet küld a hálózatba, amely az új adatátviteli ciklus kezdetét jelenti, és továbbítja saját adatcsomagját
- az adatcsomag továbbítása után a sor a következő csomópontra vált
- ha a 20 bit átvitelére szükséges idő alatt a csomópont nem kezdi meg az átvitel, a sor a következő csomópontra vált
- amikor az összes csomópont továbbította az adatokat (vagy kihagyta a sorát), a koordinátor új ciklust indít
Összességében ez hasonlít a TDMA-ra. De azzal a sajátossággal, hogy a csomópont nem használja a saját időkeretét, ha nincs mit továbbítania. A keret mérete szigorúan nincs előírva, mivel a továbbított adatcsomag méretétől függ. Mindez az Ethernet 802.3 szabványos keretein működik (a PLCA RS nem kötelező, így a kompatibilitás szükséges).
A PLCA használatának eredményei lent láthatók a grafikonokon. Az első – késleltetés a terhelés függvényében, a második – sávszélesség a továbbító csomópontok számának függvényében. Jól látható, hogy a késleltetés sokkal kiszámíthatóbb lett. És a legrosszabb esetben 2 nagyságrenddel kevesebb, mint a legrosszabb esetben a CSMA/CD-nél:
A PLCA esetén a sávszélesség is magasabb, mivel nem pazarolják el a kolíziók feloldására:
Csatlakozók
Kezdetben 6 különböző csatlakozót választottunk ki, amelyeket különböző cégek ajánlottak. Végül ezekre a két lehetőségre esett a választás:
A normál üzemeltetési körülményekhez az LC csatlakozót választották a CommScope IEC 63171-1 szabványának megfelelően.
Súlyos üzemeltetési körülményekhez – a HARTING IEC 63171-6 (korábban 61076-3-125) csatlakozócsaládja. Ezek a csatlakozók IP20-tól IP67-ig terjedő védettségi fokozatokra vannak tervezve.
Természetesen a csatlakozók és kábelek lehetnek UTP vagy STP.
Egyéb
Hagyományos négypáros Ethernet kábelt lehet használni, mindegyik párt külön SPE csatornára használva. Így nem kell négy külön kábelt húzni. Vagy egypáros kábelt használni, és a távoli végén egy egypáros Ethernet switchet elhelyezni.
Lehetséges ezt a switch-et közvetlenül a vállalati helyi hálózatba csatlakoztatni, ha a távoli területekhez már ki van építve az optikai hálózat. Az érzékelőket csatlakoztatni lehet, és az adatokat itt lehet megtekinteni. Közvetlenül a hálózaton. Interface átalakítók és átjárók nélkül.
Ráadásul nem feltétlenül érzékelők szükségesek. Lehetnek kamerák, kaputelefonok vagy „okos” izzók. Valamilyen szelep hajtások vagy beléptető rendszerek is.
Érdekes perspektívák nyílnak meg tehát. Természetesen valószínű, hogy az SPE nem helyettesíti az összes terepi buszt. De egy jelentős részesedést mindenképpen el fog venni. Az autók esetében biztosan.
PS Nem találtam a standard szövegét nyilvános hozzáférésben. A fent említett információ olyan különböző prezentációkból és az interneten elérhető anyagokból állt össze, így lehetnek benne pontatlanságok.
Forrás: habr.com
