Il 5 febbraio di quest'anno è stato approvato un nuovo standard per l'Ethernet a 10 megabit. Sì, avete letto bene: dieci megabit al secondo.
A cosa serve una velocità così "piccola" nel 21° secolo? Per sostituire quel caos che si nasconde sotto l'eloquente nome di "bus di campo" — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART, ecc. Ce ne sono troppi, non sono compatibili tra loro e sono relativamente complessi da configurare. Si desidera semplicemente collegare un cavo all'interruttore e basta. Come con un normale Ethernet.
E presto sarà possibile! Presentiamo: "802.3cg-2019 - Standard IEEE per Ethernet - Emendamento 5: specifiche del livello fisico e parametri di gestione per operazioni a 10 Mb/s e fornitura di energia associata attraverso una singola coppia bilanciata di conduttori".
Cosa rende interessante questo nuovo Ethernet? Prima di tutto, funziona su una sola coppia di cavi anziché su quattro. Pertanto ha connettori più piccoli e cavi più sottili. E si può utilizzare la coppia già installata che va ai sensori e agli attuatori.
Potreste obiettare che l'Ethernet funziona fino a 100 metri, mentre i sensori sono molto più lontani. È vero, in passato questo era un problema. Ma l'802.3cg funziona a distanze fino a 1 km! Su una sola coppia! Non male, vero?
In realtà, è ancora meglio: sulla stessa coppia può essere fornita anche l'alimentazione. Da qui iniziamo.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Penso che molti di voi abbiano sentito parlare del PoE (Power over Ethernet) e sappiano che per fornire alimentazione sono necessarie 2 coppie di fili. L'ingresso/uscita dell'alimentazione è realizzato nei punti medi dei trasformatori di ciascuna coppia. Utilizzando una coppia, ciò non è possibile. Per questo è stato necessario adottare un approccio diverso. Come esemplificato nel diagramma qui sotto. Per confronto, è stato incluso anche il classico PoE.
Qui:
PSE - power sourcing equipment (fonte di alimentazione)
PD - powered device (dispositivo alla fine, che consuma elettricità)
Inizialmente, l'802.3bu aveva 10 classi di alimentazione:
In rosso sono evidenziate tre gradazioni convenzionali della tensione della fonte: 12, 24 e 48V.
Designazioni:
Vpse - tensione della fonte di alimentazione, V
Vpd min - tensione minima su PD, V
I max - corrente massima nella linea, A
Ppd max - potenza massima assorbita da PD, W
Con l'introduzione del protocollo 802.3cg sono state aggiunte altre 6 classi:
Naturalmente, con una tale varietà di PSE e PD devono coordinare la classe di alimentazione prima di fornire la tensione piena. Questo avviene tramite SCCP (Serial Communications Classification Protocol). È un protocollo a bassa velocità (333 bit/s) basato su 1-Wire. Funziona solo quando non è presente alimentazione principale nella linea (incluso in modalità sleep).
Lo schema mostra come viene fornita l'alimentazione:
- si fornisce una corrente di 10mA e si verifica la presenza di un regolatore a 4V all'altra estremità
- si esegue il coordinamento della classe di alimentazione
- si fornisce l'alimentazione principale
- se il consumo scende sotto i 10mA - si attiva la modalità sleep (fornitura di alimentazione di standby a 3.3V)
- se il consumo supera 1mA - si esce dalla modalità sleep
Il coordinamento della classe di alimentazione non è necessario se è già noto. Questa opzione è chiamata Fast Startup Mode. Viene utilizzata, ad esempio, nelle automobili, poiché non c'è bisogno di cambiare la configurazione dell'equipaggiamento collegato.
La modalità sleep può essere attivata sia dal PSE che dal PD.
Passiamo ora alla descrizione della trasmissione dei dati. Anche qui ci sono aspetti interessanti: nello standard sono definiti due modalità operative - a lungo raggio e per brevi distanze.
10BASE-T1L
Questa è la versione per grandi distanze (long reach). Le caratteristiche principali sono le seguenti:
- distanza operativa - fino a 1 km
- conduttori 18AWG (0.8mm2)
- fino a 10 connettori intermedi (e due terminali)
- modalità di lavoro punto-a-punto
- full duplex
- velocità simbolica 7.5Mbod
- modulazione PAM-3, codifica 4B3T
- segnale con ampiezza di 1V (1Vpp) o 2.4V
- supporto per Energy Efficient Ethernet (“quiet/refresh” EEE)
È ovvio che questa opzione è destinata all'uso industriale, ai sistemi di controllo degli accessi, all'automazione degli edifici, agli ascensori. Per il controllo dei chiller, dei condizionatori, delle ventole installate sui tetti. O per le caldaie e le pompe presenti nei locali tecnici. Cioè, ci sono innumerevoli applicazioni oltre all'industria. Senza contare l'Internet delle cose (IoT).
Vale la pena notare che il 10BASE-T1 è solo uno degli standard Single Pair Ethernet (SPE). Ci sono anche 100BASE-T1 (802.3bw) e 1000BASE-T1 (802.3bp). Tuttavia, sono stati sviluppati per applicazioni automobilistiche, quindi la distanza in questo caso è solo di 15 (UTP) o 40 metri (STP). Tuttavia, ci sono già piani per un 100BASE-T1L a lungo raggio. Pertanto, in futuro verrà aggiunta l'autoconfigurazione della velocità.
Nel frattempo, poiché la configurazione non viene utilizzata - è stato dichiarato un "avvio veloce" dell'interfaccia: meno di 100 ms dall'accensione fino all'inizio dello scambio di dati.
Un'altra opzione (facoltativa) è aumentare l'ampiezza del segnale da 1 a 2.4V per migliorare il rapporto segnale/rumore, ridurre gli errori e contrastare le interferenze industriali.
E, ovviamente, l'EEE. Questo è un modo per risparmiare energia spegnendo il trasmettitore quando non ci sono dati da inviare. Nel diagramma è mostrato come appare:
Nessun dato – inviamo un messaggio "sono andata a dormire" e ci disconnettiamo. Di tanto in tanto ci svegliamo e inviamo un messaggio "sono ancora qui". Quando ci sono dati, la parte opposta riceve un avviso "mi sto svegliando" e inizia la trasmissione. Cioè, solo i ricevitori sono sempre attivi.
Ora vediamo cosa hanno pensato per la seconda opzione dello standard.
10BASE-T1S
Già dall'ultima lettera si capisce che è un protocollo per brevi distanze (short reach). Ma a cosa serve, se a brevi distanze funziona anche T1L? Leggiamo le specifiche:
- distanza fino a 15m in modalità punto-punto
- duplex o half-duplex
- conduttori 24-26AWG (0.2-0.13mm2)
- velocità simbolo 12.5Mbaud
- DME, codifica 4B5B
- segnale con ampiezza di 1V (1Vpp)
- fino a 4 connettori intermedi (e due finali)
- nessun supporto EEE
Sembra che non ci sia niente di speciale. Ma a cosa serve?
- Distanza fino a 25m in modalità multipoint (fino a 8 nodi)
E questo:
- modalità operativa con prevenzione delle collisioni PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
E questo è molto più interessante, vero? Poiché aiuta a ridurre notevolmente il numero di fili nei quadri di controllo, nelle macchine, nei robot, nelle automobili. Ci sono già proposte per usarlo come sostituto di I2C in server, switch e altra elettronica.
Ma la modalità multipoint ha degli svantaggi. Il principale è la rete di trasmissione dati condivisa. Certamente, le collisioni vengono risolte con CSMA/CD. Ma non si sa quale sarà il ritardo in questo caso. E per alcune applicazioni è critico. Pertanto, nel nuovo standard, è stato aggiunto un modo speciale per il multipoint, PLCA RS (vedi sezione successiva).
Un secondo svantaggio è che nel multipoint non funziona PoDL. Cioè, l'alimentazione deve essere fornita tramite un cavo separato o prelevata localmente.
Tuttavia, nel modo punto-punto, PoDL funziona anche su T1S.
PLCA RS
Questo modo funziona come segue:
- i nodi si scambiano identificatori, il nodo con ID=0 diventa il coordinatore
- il coordinatore invia nella rete il segnale BEACON che indica l'inizio di un nuovo ciclo di trasmissione e trasmette il proprio pacchetto dati
- dopo la trasmissione del pacchetto dati, la coda per la trasmissione passa al nodo successivo
- se nel tempo necessario per trasmettere 20 bit un nodo non inizia la trasmissione, la coda passa al nodo successivo
- quando tutti i nodi hanno trasmesso dati (o hanno saltato il loro turno), il coordinatore inizia un nuovo ciclo
In generale, questo assomiglia a TDMA. Ma con la particolarità che un nodo non utilizza il proprio frame temporale se non ha nulla da trasmettere. E la dimensione del frame non è rigidamente definita, poiché dipende dalla dimensione del pacchetto di dati trasmesso dal nodo. E tutto questo funziona sopra i frame standard Ethernet 802.3 (PLCA RS non è obbligatorio, quindi deve esserci compatibilità).
Il risultato dell'uso di PLCA – in basso nei grafici. Il primo – ritardo in funzione del carico, il secondo – larghezza di banda in funzione del numero di nodi trasmittenti. È evidente che il ritardo è diventato molto più prevedibile. E nel caso peggiore è di 2 ordini di grandezza inferiore rispetto al caso peggiore di CSMA/CD:
E la larghezza di banda del canale nel caso di PLCA è superiore, poiché non viene sprecata per la risoluzione delle collisioni:
Porte
Inizialmente sono stati scelti tra 6 opzioni di connettori proposte da diverse aziende. Alla fine ci siamo concentrati su queste due opzioni:
Per le normali condizioni operative è stato selezionato il connettore LC IEC 63171-1 della CommScope.
Per condizioni di funzionamento severo – la famiglia di connettori IEC 63171-6 (ex 61076-3-125) della HARTING. Questi connettori sono classificati per gradi di protezione da IP20 a IP67.
Naturalmente, i connettori e i cavi possono essere sia UTP che STP.
Altro
È possibile utilizzare un normale cavo Ethernet a quattro coppie, usando ogni coppia per un canale SPE separato. Per evitare di estrarre quattro cavi separati in direzioni diverse. Oppure utilizzare un cavo a coppia singola, e all'altro capo posizionare uno switch Ethernet a singola coppia.
E si può collegare questo switch direttamente alla rete locale dell'azienda, se è già stata stesa una rete in fibra ottica in direzioni lontane. Collegare sensori lì e visualizzare i dati qui. Diretto sulla rete. Senza convertitori di interfaccia e gateway.
E non devono necessariamente essere sensori. Possono essere videocamere, citofoni o "lampadine intelligenti". Attuatori per valvole o tornelli agli ingressi.
Quindi si aprono prospettive interessanti. È improbabile che, naturalmente, SPE sostituisca tutti i bus di campo. Ma ne prenderà sicuramente una buona parte. Soprattutto nelle automobili.
PS Non ho trovato il testo dello standard in accesso pubblico. Le informazioni sopra riportate sono state raccolte a pezzi da varie presentazioni e materiali disponibili su internet. Quindi potrebbero esserci imprecisioni.
Fonte: habr.com
