Suku Ethernet: kelajuan lama, peluang baharu

Pada 5 Februari tahun ini, standard baharu untuk 10-Mbit Ethernet telah diluluskan. Ya, anda membacanya dengan betul: sepuluh megabit sesaat.

Mengapakah kelajuan "kecil" sedemikian diperlukan pada abad ke-21? Untuk menggantikan zoo yang tersembunyi di bawah nama luas "bas medan" - Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART, dll. Terdapat terlalu banyak daripada mereka, mereka tidak serasi antara satu sama lain dan agak sukar untuk dikonfigurasikan. Tetapi anda hanya mahu memasangkan kabel ke suis, dan itu sahaja. Sama seperti Ethernet biasa.

Dan tidak lama lagi ia akan menjadi mungkin! Temui: "802.3cg-2019 - Piawaian IEEE untuk Ethernet - Pindaan 5: Spesifikasi Lapisan Fizikal dan Parameter Pengurusan untuk Operasi 10 Mb/s dan Penghantaran Kuasa Berkaitan ke atas Sepasang Konduktor Seimbang Tunggal."

Apakah yang menarik tentang Ethernet baharu ini? Pertama sekali, ia berfungsi pada satu pasangan berpintal, dan bukan lebih daripada empat. Oleh itu, ia mempunyai lebih sedikit penyambung dan kabel yang lebih nipis. Dan anda boleh menggunakan kabel pasangan terpiuh yang telah diletakkan pergi ke penderia dan penggerak.

Anda boleh berhujah bahawa Ethernet berfungsi sehingga 100 meter, tetapi penderia terletak lebih jauh. Memang ini dulu masalah. Tetapi 802.3cg berfungsi pada jarak sehingga 1 km! Sepasang pada satu masa! Boleh tahan?

Malah, lebih baik lagi: kuasa juga boleh dibekalkan melalui pasangan yang sama. Di situlah kita akan bermula.

IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)

Saya rasa ramai di antara anda pernah mendengar tentang PoE (Power over Ethernet) dan tahu bahawa 2 pasang wayar diperlukan untuk menghantar kuasa. Input/output kuasa dibuat pada titik tengah transformer setiap pasangan. Ini tidak boleh dilakukan menggunakan satu pasangan. Oleh itu, kami terpaksa melakukannya secara berbeza. Bagaimana sebenarnya ditunjukkan dalam rajah di bawah. Sebagai contoh, PoE klasik juga telah ditambah.

Di sini:
PSE – peralatan penyumberan kuasa (bekalan kuasa)
PD – peranti berkuasa (peranti hujung yang menggunakan elektrik)

Pada mulanya, 802.3bu mempunyai 10 kelas kuasa:

Tiga penggredan konvensional voltan sumber diserlahkan dalam warna: 12, 24 dan 48V.

Jawatan:
Vpse — voltan bekalan kuasa, V
Vpd min - voltan minimum pada PD, V
I max — arus maksimum dalam talian, A
Ppd max — penggunaan kuasa maksimum PD, W

Dengan kemunculan protokol 802.3cg, 6 lagi kelas telah ditambah:

Sudah tentu, dengan kepelbagaian sedemikian, PSE dan PD mesti bersetuju dengan kelas kuasa sebelum menggunakan voltan penuh. Ini dilakukan menggunakan SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Ini ialah protokol berkelajuan rendah (333 bps) berdasarkan 1-Wire. Ia hanya berfungsi apabila kuasa utama tidak dibekalkan ke talian (termasuk dalam mod tidur).

Rajah blok menunjukkan bagaimana kuasa dibekalkan:

• arus 10mA dibekalkan dan kehadiran diod zener 4V pada hujung itu diperiksa
• kelas kuasa dipersetujui
• kuasa utama dibekalkan
• jika penggunaan menurun di bawah 10mA, mod tidur diaktifkan (bekalan kuasa siap sedia 3.3V)
• jika penggunaan melebihi 1mA, mod tidur akan keluar

Tidak perlu bersetuju mengenai kelas makanan jika ia diketahui lebih awal. Pilihan ini dipanggil Mod Permulaan Pantas. Ia digunakan, sebagai contoh, dalam kereta, kerana tidak perlu menukar konfigurasi peralatan yang disambungkan.

Kedua-dua PSE dan PD boleh memulakan mod tidur.

Sekarang mari kita beralih kepada perihalan pemindahan data. Ia juga menarik di sana: standard mentakrifkan dua mod operasi - jarak jauh dan untuk jarak dekat.

10BASE-T1L

Ini adalah pilihan jangkauan panjang. Ciri-ciri utama adalah seperti berikut:

• jarak - sehingga 1 km
• konduktor 18AWG (0.8mm2)
• sehingga 10 penyambung perantaraan (dan dua penyambung terminal)
• mod pengendalian titik ke titik
• dupleks penuh
• kadar simbol 7.5 Mbaud
• Modulasi PAM-3, pengekodan 4B3T
• isyarat dengan amplitud 1V (1Vpp) atau 2.4V
• Sokongan Ethernet Cekap Tenaga ("tenang/segar semula" EEE).

Jelas sekali, pilihan ini bertujuan untuk aplikasi perindustrian, sistem kawalan akses, automasi bangunan, lif. Untuk mengawal penyejuk, penghawa dingin, dan kipas yang terletak di atas bumbung. Atau pemanas dandang dan pam yang terletak di bilik teknikal. Iaitu, terdapat banyak aplikasi yang berbeza selain industri. Apatah lagi Internet of Things (IoT).

Perlu dinyatakan bahawa 10BASE-T1 hanyalah salah satu daripada piawaian Single Pair Ethernet (SPE). Terdapat juga 100BASE-T1 (802.3bw) dan 1000BASE-T1 (802.3bp). Benar, mereka dibangunkan untuk aplikasi automotif, jadi jaraknya hanya 15 (UTP) atau 40 meter (STP). Walau bagaimanapun, rancangan sudah termasuk 100BASE-T1L jarak jauh. Jadi pada masa hadapan mereka akan menambah auto-perundingan kelajuan.

Sementara itu, penyelarasan tidak digunakan - "permulaan pantas" antara muka diisytiharkan: kurang daripada 100ms dari bekalan kuasa hingga permulaan pertukaran data.

Pilihan lain (pilihan) adalah untuk meningkatkan amplitud penghantaran daripada 1 kepada 2.4V untuk meningkatkan nisbah isyarat-ke-bunyi, mengurangkan bilangan ralat, dan mengatasi gangguan industri.

Dan, sudah tentu, EEE. Ini adalah cara untuk menjimatkan elektrik dengan mematikan pemancar jika tiada data untuk dihantar pada masa ini. Rajah menunjukkan rupa ini:


Tiada data - kami menghantar mesej "Saya pergi tidur" dan putuskan sambungan. Sesekali kami bangun dan menghantar mesej "Saya masih di sini." Apabila data muncul, pihak bertentangan dimaklumkan "Saya bangun" dan penghantaran bermula. Iaitu, hanya penerima yang sentiasa berfungsi.

Sekarang mari kita lihat apa yang mereka hasilkan dengan versi kedua standard.

10BASE-T1S

Sudah dari surat terakhir adalah jelas bahawa ini adalah protokol untuk jarak dekat. Tetapi mengapa ia diperlukan jika T1L berfungsi pada jarak yang dekat? Membaca ciri-ciri:

• julat sehingga 15m dalam mod titik ke titik
• dupleks atau separuh dupleks
• проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
• kadar simbol 12.5 Mbaud
• DME, pengekodan 4B5B
• isyarat dengan amplitud 1V (1Vpp)
• sehingga 4 penyambung perantaraan (dan dua penyambung terminal)
• tiada sokongan EEE

Nampak macam tiada yang istimewa. Jadi untuk apa? Tetapi untuk ini:

• jarak sehingga 25m dalam mod berbilang titik (sehingga 8 knot)

Dan ini:

• mod pengendalian dengan pengelakan perlanggaran PLCA RS (Phy-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)

Dan ini lebih menarik, bukan? Kerana membantu mengurangkan bilangan wayar dalam kabinet kawalan, mesin, robot dan kereta. Dan sudah ada cadangan untuk menggunakannya sebagai pengganti I2C dalam pelayan, suis dan elektronik lain.

Tetapi mod berbilang titik mempunyai kelemahannya. Yang utama ialah medium penghantaran data yang dikongsi. Sudah tentu, perlanggaran diselesaikan menggunakan CSMA/CD. Tetapi tidak diketahui apakah kelewatan yang akan berlaku. Dan untuk beberapa aplikasi ini adalah kritikal. Oleh itu, dalam standard baharu, multipoint telah ditambah dengan mod RS PLCA khas (lihat bahagian seterusnya).

Kelemahan kedua ialah PoDL tidak berfungsi dalam multipoint. Iaitu, kuasa perlu dibekalkan melalui kabel berasingan atau dibawa ke suatu tempat di tapak.

Walau bagaimanapun, dalam mod titik ke titik, PoDL juga berfungsi pada T1S.

PLCA RS

Mod ini berfungsi seperti berikut:

• nod mengedarkan pengecam antara mereka sendiri, nod dengan ID=0 menjadi penyelaras
• penyelaras mengeluarkan isyarat BEACON kepada rangkaian, menunjukkan permulaan kitaran penghantaran baharu dan menghantar paket datanya
• selepas menghantar paket data, baris gilir penghantaran bergerak ke nod seterusnya
• jika nod belum mula menghantar dalam masa yang diperlukan untuk menghantar 20 bit, baris gilir bergerak ke nod seterusnya
• apabila semua nod telah menghantar data (atau melangkau giliran mereka), penyelaras memulakan kitaran baharu

Secara amnya ia menyerupai TDMA. Tetapi dengan keanehan bahawa nod tidak menggunakan jangka masanya jika ia tidak mempunyai apa-apa untuk dihantar. Dan saiz bingkai tidak ditentukan dengan ketat, kerana... bergantung pada saiz paket data yang dihantar oleh nod. Dan semuanya berjalan di atas bingkai Ethernet standard 802.3 (PLCA RS adalah pilihan, jadi harus ada keserasian).

Keputusan penggunaan PLCA ditunjukkan di bawah dalam graf. Yang pertama ialah kelewatan bergantung pada beban, yang kedua ialah daya pemprosesan bergantung pada bilangan nod pemancar. Ia jelas ketara bahawa kelewatan telah menjadi lebih boleh diramalkan. Dan dalam kes terburuk ia adalah 2 susunan magnitud kurang daripada dalam kes terburuk CSMA/CD:

Dan kapasiti saluran dalam kes PLCA adalah lebih tinggi, kerana tidak dibelanjakan untuk menyelesaikan perlanggaran:

Penyambung

Pada mulanya, kami memilih daripada 6 pilihan penyambung yang ditawarkan oleh syarikat yang berbeza. Akibatnya, kami memutuskan pada dua pilihan ini:

Untuk keadaan operasi biasa, penyambung LC IEC 63171-1 CommScope telah dipilih.

Untuk persekitaran yang keras – keluarga penyambung IEC 63171-6 (dahulunya 61076-3-125) daripada HARTING. Penyambung ini direka bentuk untuk tahap perlindungan dari IP20 hingga IP67.

Sudah tentu, penyambung dan kabel boleh sama ada UTP atau STP.

Lain-lain

Anda boleh menggunakan kabel Ethernet empat pasang biasa, menggunakan setiap pasangan untuk saluran SPE yang berasingan. Supaya tidak menarik empat kabel berasingan di suatu tempat ke kejauhan. Atau gunakan kabel pasangan tunggal, dan pasang suis Ethernet pasangan tunggal di hujung sekali.

Atau anda boleh menyambungkan suis ini terus ke rangkaian tempatan perusahaan, jika rangkaian telah dilanjutkan pada jarak jauh melalui gentian optik. Lekatkan penderia di sana, dan baca bacaan daripadanya di sini. Terus pada rangkaian. Tanpa penukar antara muka dan pintu masuk.

Dan ini tidak semestinya penderia. Mungkin terdapat kamera video, interkom atau mentol lampu pintar. Pemacu beberapa injap atau pintu putar di pintu masuk.

Jadi prospek dibuka menarik. Tidak mungkin, sudah tentu, SPE akan menggantikan semua bas lapangan. Tetapi dia akan mengambil sebahagian daripada mereka. Sudah tentu dalam kereta.

PS Saya tidak menemui teks standard dalam domain awam. Maklumat di atas dikumpul sekeping demi sekeping daripada pelbagai pembentangan dan bahan yang terdapat di Internet. Jadi mungkin terdapat ketidaktepatan di dalamnya.

Sumber: www.habr.com