De vierde Ethernet-snelheid: oude snelheid, nieuwe mogelijkheden

Op 5 februari van dit jaar is een nieuwe standaard voor 10-megabit Ethernet goedgekeurd. Ja, je leest het goed: tien megabit per seconde.

Waarom zou je in de 21ste eeuw zo'n 'kleine' snelheid nodig hebben? Om de chaos te vervangen die zich verborgen houdt onder de verzamelnaam 'veldbus' — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART, enzovoort. Het zijn er te veel, ze zijn niet onderling compatibel en relatief moeilijk in te stellen. En het zou zo eenvoudig moeten zijn om gewoon een kabel in de switch te steken, net als bij standaard Ethernet.

En binnenkort zal dit mogelijk zijn! Maak kennis met: '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'.

Wat maakt deze nieuwe Ethernet zo interessant? Allereerst: het werkt met één gedraaide paar, in plaats van met vier. Hierdoor zijn de connectoren kleiner en zijn de kabels dunner. Je kunt ook de al gelegde gedraaide paar gebruiken die naar de sensoren en actuatoren gaan.

Je kunt zeggen dat Ethernet tot 100 meter werkt, terwijl de sensoren veel verder weg zijn. Dat was inderdaad eerder een probleem. Maar 802.3cg werkt op een afstand tot 1 km! Met één paar! Niet slecht, toch?

In feite is het nog beter: dezelfde paar kan ook voedingsspanning leveren. Laten we daar mee beginnen.

IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)

Ik denk dat velen van jullie hebben gehoord van PoE (Power over Ethernet) en weten dat er voor voedingslevering 2 paar draden nodig zijn. De voedingsinvoer/-uitvoer is gemaakt in het midden van de transformatoren van elk paar. Met één paar is dit onmogelijk. Daarom moest het anders worden gedaan. Hoe precies, wordt getoond in de afbeelding hieronder. Voor de duidelijkheid is ook klassieke PoE toegevoegd.

Hier:
PSE – power sourcing equipment (voedingsbron)
PD – powered device (apparaat aan de andere kant dat elektriciteit verbruikt)

Oorspronkelijk had 802.3bu 10 klassen van voedingsstroom:

In kleur zijn drie hypothetische spanningsklassen van de bron gemarkeerd: 12, 24 en 48V.

Aanduidingen:
Vpse — spanningsniveau van de voedingsbron, V
Vpd min — minimale spanning op de PD, V
I max — maximale stroom in de lijn, A
Ppd max — maximale opgenomen vermogen van de PD, W

Met de introductie van het 802.3cg-protocol zijn er nog 6 klassen toegevoegd:

Natuurlijk moeten PSE en PD de voedingsklasse coördineren voordat volledige spanning wordt aangelegd bij zo'n verscheidenheid. Dit gebeurt met behulp van SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Dit is een low-speed protocol (333 bps), gebaseerd op 1-Wire. Het werkt alleen wanneer er geen hoofdvoeding op de lijn is aangelegd (inclusief in de slaapstand).

De blokkenschema toont aan hoe de energievoorziening wordt uitgevoerd:

• een stroom van 10 mA wordt aangelegd en de aanwezigheid van een 4V stabiele diode aan de andere kant wordt gecontroleerd
• er wordt een voedingsklasse-coördinatie uitgevoerd
• hoofdvoeding wordt aangelegd
• als het verbruik onder de 10 mA daalt - wordt de slaapstand ingeschakeld (aansluiting van standby-voeding van 3.3V)
• als het verbruik boven de 1 mA uitkomt - vindt er een exit uit de slaapstand plaats

Voedingsklasse-coördinatie is niet nodig als deze van tevoren bekend is. Deze optie wordt Fast Startup Mode genoemd. Dit wordt bijvoorbeeld in auto's toegepast, omdat er geen noodzaak is om de configuratie van de aangesloten apparatuur te veranderen.

De overgang naar de slaapstand kan zowel door PSE als PD worden geïnitieerd.

Laten we nu de gegevensoverdracht beschrijven. Ook daar is het interessant: de standaard definiëert twee werkmodi - lange afstand en voor korte afstand.

10BASE-T1L

Dit is de optie voor lange afstand (long reach). De belangrijkste kenmerken zijn als volgt:

• berijkbaarheid - tot 1 km
• geleiders 18AWG (0.8 mm²)
• tot 10 tussenverbindingen (en twee eindverbindingen)
• punt-tot-punt werkmodus
• volledige duplex
• symboolsnelheid 7.5 Mbod
• PAM-3 modulatie, codering 4B3T
• signaal met een amplitude van 1V (1Vpp) of 2.4V
• ondersteuning voor Energy Efficient Ethernet ("quiet/refresh" EEE)

Het is duidelijk dat deze optie is ontworpen voor industriële toepassingen, toegangscontrolesystemen, gebouwautomatisering, liften. Voor het beheer van chillers, airconditioners, ventilatoren die op daken zijn geplaatst. Of verwarmingsketels enpompen die zich in technische ruimtes bevinden. Kortom, talloze toepassingen buiten de industrie. Niet te vergeten het internet der dingen (IoT).

Het is vermeldenswaard dat 10BASE-T1 slechts een van de normen voor Single Pair Ethernet (SPE) is. Er zijn ook 100BASE-T1 (802.3bw) en 1000BASE-T1 (802.3bp). Deze zijn echter ontwikkeld voor automobiliteitstoepassingen, waardoor de afstand daar slechts 15 (UTP) of 40 meter (STP) is. Toch zijn er al plannen voor een lange-afstands 100BASE-T1L. Dus in de toekomst zullen er automatische snelheidsoverdrachten toegevoegd worden.

Ondertussen wordt er geen goedkeuring gebruikt – er is een 'snelle start' interface aangekondigd: minder dan 100 ms van inschakelen tot het begin van gegevensuitwisseling.

Een andere optie (niet verplicht) is het verhogen van de amplitude van de overdracht van 1 tot 2,4 V om de signaal-/ruisverhouding te verbeteren, het aantal fouten te verminderen en industriële interferentie tegen te gaan.

En natuurlijk, EEE. Dit is een manier om elektriciteit te besparen door de zender uit te schakelen wanneer er momenteel geen gegevens zijn om te verzenden. In de diagram wordt weergegeven hoe dit eruitziet:


Geen gegevens – we sturen het bericht 'ik ga slapen' en schakelen uit. Af en toe worden we wakker en sturen het bericht 'ik ben er nog'. Wanneer er gegevens beschikbaar zijn, wordt de tegenpartij gewaarschuwd met 'ik word wakker' en begint de overdracht. Daarmee zijn alleen de ontvangers constant actief.

Laten we nu eens kijken wat er is bedacht met de tweede versie van de standaard.

10BASE-T1S

Aan de laatste letter is al duidelijk dat dit een protocol voor korte afstanden (short reach) is. Maar waarom is het nodig als T1L ook voor korte afstanden werkt? Laten we de specificaties lezen:

• bereik tot 15 m in punt-tot-punt modus
• vollduplex of halfduplex
• geleiders 24-26 AWG (0,2-0,13 mm²)
• symbolensnelheid 12,5 Mbaud
• DME, codering 4B5B
• signaal met een amplitude van 1 V (1Vpp)
• tot 4 tussenverbindingen (en twee eindverbindingen)
• geen ondersteuning voor EEE

Het lijkt op het eerste gezicht niets bijzonders. Maar waarvoor is het dan nodig? Kijk hiervoor:

• bereik tot 25 m in multipoint modus (tot 8 nodes)

En dit:

• werkmodus met Collision Avoidance PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)

En dat is al veel interessanter, nietwaar? Aangezien het het aantal draden in kasten, machines, robots en voertuigen aanzienlijk vermindert. Er zijn al voorstellen om het te gebruiken als vervanging voor I2C in servers, switches en andere elektronische componenten.

Maar de multipoint modus heeft nadelen. De belangrijkste hiervan is het gedeelde gegevensoverdrachtsmedium. Natuurlijk worden conflicten opgelost met CSMA/CD. Maar het is onbekend wat de vertraging hierbij zal zijn. En voor sommige toepassingen is dat cruciaal. Daarom is in de nieuwe standaard de multipoint modus aangevuld met een speciale PLCA RS modus (zie de volgende sectie).

Een tweede nadeel is dat PoDL niet werkt in de multipoint modus. Dit betekent dat de voeding via een aparte kabel moet worden aangeleverd of ergens ter plaatse moet worden genomen.

Overigens werkt de point-to-point modus ook op T1S met PoDL.

PLCA RS

Deze modus werkt als volgt:

• de knooppunten delen identificatoren, knooppunt met ID=0 wordt de coördinator
• de coördinator geeft een BEACON-signaal aan het netwerk, wat het begin van een nieuwe transmissiecyclus aangeeft en zijn datapakket verzendt
• na het verzenden van het datapakket gaat de verzendwachtrij over naar het volgende knooppunt
• als binnen de tijd die nodig is om 20 bits te verzenden het knooppunt niet is begonnen met verzenden, gaat de wachtrij over naar het volgende knooppunt
• wanneer alle knooppunten gegevens hebben verzonden (of hun beurt hebben overgeslagen), begint de coördinator een nieuwe cyclus

In het algemeen lijkt dit op TDMA. Maar met de eigenaardigheid dat het knooppunt zijn tijdsframe niet gebruikt als het niets te verzenden heeft. En de grootte van het frame is niet rigid, omdat deze afhangt van de grootte van het datapakket dat door het knooppunt wordt verzonden. En dit alles werkt bovenop standaard Ethernet 802.3-frames (PLCA RS is niet verplicht, dus er moet compatibiliteit zijn).

De resultaten van het gebruik van PLCA zijn hieronder op de grafieken. De eerste - vertraging afhankelijk van de belasting, de tweede - doorvoersnelheid afhankelijk van het aantal verzendende knooppunten. Het is goed zichtbaar dat de vertraging veel voorspelbaarder is geworden. En deze is in het slechtste geval 2 orde van grootte minder dan in het slechtste geval voor CSMA/CD:

En de doorvoersnelheid van het kanaal in het geval van PLCA is hoger, omdat deze niet verloren gaat aan het resolven van botsingen:

Aansluitingen

Aanvankelijk kozen we uit 6 opties voor aansluitingen die door verschillende bedrijven werden aangeboden. Uiteindelijk hebben we ons gericht op deze twee opties:

Voor normale gebruiksomstandigheden werd de LC-aansluiting IEC 63171-1 van CommScope gekozen.

Voor zware gebruiksomstandigheden – de IEC 63171-6 aansluitingen (vroeger 61076-3-125) van HARTING. Deze aansluitingen zijn ontworpen voor beschermingsgraden van IP20 tot IP67.

Natuurlijk kunnen de aansluitingen en kabels zowel UTP als STP zijn.

Overige

U kunt gewone vier-draads Ethernet-kabel gebruiken, waarbij elke aderparen voor een afzonderlijk SPE-kanaal worden gebruikt. Dit voorkomt dat u vier aparte kabels ver weg hoeft te trekken. Of gebruik een enkele ader kabel en plaats aan de andere kant een switch voor een enkele Ethernet.

Is het mogelijk om deze switch direct op het lokale netwerk van het bedrijf aan te sluiten, als er al een netwerk via glasvezel naar verre locaties is getrokken? Steek daar sensoren in, en bekijk de metingen hier. Gewoon via het netwerk. Zonder interfaceconverters en gateways.

En het hoeven niet noodzakelijk sensoren te zijn. Het kunnen ook camera's, videodeurbellen of 'slimme' lampen zijn. Aandrijvingen voor kleppen of toegangspoorten bij ingangen.

Dus er openen zich interessante perspectieven. Het is onwaarschijnlijk dat SPE alle veldbussen zal vervangen. Maar het zal zeker een flink stuk van de markt afsnijden. Vooral in de automobielsector.

PS Ik heb de tekst van de standaard niet in open toegang kunnen vinden. De bovenstaande informatie is samengesteld uit verschillende presentaties en beschikbare materialen op internet. Daarom kunnen er onnauwkeurigheden in staan.

Bron: habr.com