5 лютого цього року було затверджено новий стандарт на 10-мегабітний Ethernet. Так, ви вірно прочитали: десять мегабіт на секунду.
Навіщо в 21-му столітті потрібна така «маленька» швидкість? Для заміни зоопарку, який ховається під ємною назвою «польова шина» — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART і т.д. Їх дуже багато, вони несумісні між собою і відносно складні в налаштуванні. А хочеться просто встромити кабель у комутатор, і все. Як із звичайним Ethernet.
І невдовзі це стане можливим! Знайомтесь: «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 Single Balanced Pair of Conductors».
Чим цікавий цей новий Ethernet? Насамперед – він працює по одній кручений парі, а не по чотирьох. Тому у нього менше роз'єми і тонші за кабелі. І можна використовувати вже прокладену кручену пару, що йде до датчиків і виконавчих механізмів.
Ви можете заперечити, що Ethernet працює до 100 метрів, а датчики розташовані набагато далі. Справді, це було раніше проблемою. Але 802.3cg працює на відстані до 1 км! По одній парі! Не погано?
Насправді ще краще: по цій же парі може подаватися і електроживлення. Ось із нього і почнемо.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Думаю, багато хто з вас чув про PoE (Power over Ethernet) і знає, що для передачі живлення потрібні 2 пари проводів. Введення/виведення живлення зроблено в середніх точках трансформаторів кожної пари. Використовуючи одну пару, таке зробити неможливо. Тож довелося робити по-іншому. Як саме – показано малюнку внизу. Наприклад доданий і класичний PoE.
тут:
PSE – power sourcing equipment (джерело живлення)
PD – powered device (пристрій на дальньому кінці, що споживає електрику)
Спочатку 802.3bu мав 10 класів електроживлення:
Кольором виділено три умовні градації напруги джерела: 12, 24 та 48В.
позначення:
Vpse - напруга джерела живлення,
Vpd min - мінімальна напруга на PD, В
I max - максимальний струм в лінії, А
Ppd max - максимальна споживана потужність PD, Вт
З появою протоколу 802.3cg додалося ще 6 класів:
Зрозуміло, за такого різноманіття PSE і PD повинні узгоджувати клас електроживлення перед подачею повної напруги. Робиться це за допомогою SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Це низькошвидкісний протокол (333 біт/с), що базується на 1-Wire. Він працює тільки тоді, коли до лінії не подано основне харчування (в т.ч. у сплячому режимі).
На блок-схемі показано, як виконується подача живлення:
- подається струм 10мА та перевіряється наявність на тому кінці стабілітрону на 4В
- провадиться узгодження класу харчування
- подається основне харчування
- якщо споживання падає менше 10мА – включається режим сну (подача чергового харчування 3.3В)
- якщо споживання перевищує 1мА – відбувається вихід із сплячого режиму
Узгодження класу харчування можна робити, якщо він заздалегідь відомий. Такий варіант має назву Fast Startup Mode. Застосовується, наприклад, автомобілях, т.к. там немає потреби змінювати конфігурацію підключеного обладнання.
Ініціювати перехід у сплячий режим може як PSE, і PD.
Тепер перейдемо до опису передачі. Там теж цікаво: у стандарті визначено два режими роботи – далекобійний і для невеликих відстаней.
10BASE-T1L
Це варіант великої дальності (long reach). Основні характеристики такі:
- дальність дії – до 1км
- провідники 18AWG (0.8мм2)
- до 10 проміжних роз'ємів (і два кінцеві)
- режим роботи точка-точка
- повний дуплекс
- символьна швидкість 7.5Мбод
- модуляція PAM-3, кодування 4B3T
- сигнал з амплітудою 1В (1Vpp) або 2.4В
- підтримка Energy Efficient Ethernet (“quiet/refresh” EEE)
Вочевидь, що це варіант призначений для індустріального застосування, систем контролю доступу, автоматизації будинків, ліфтів. Для керування розташованими на дахах чилерами, кондиціонерами, вентиляторами. Або опалювальними котлами та насосами, що знаходяться в технічних приміщеннях. Тобто сила-силенна всяких застосувань крім промисловості. Не говорячи вже про інтернет речей (IoT).
Варто згадати, що 10BASE-T1 лише один із стандартів Single Pair Ethernet (SPE). Є ще 100BASE-T1 (802.3bw) та 1000BASE-T1 (802.3bp). Щоправда, вони розроблялися для автомобільних застосувань, тому там дальність лише 15 (UTP) чи 40 метрів (STP). Однак, у планах вже є і далекобійний 100BASE-T1L. Тож у майбутньому додадуть автоузгодження швидкості.
А поки що узгодження не використовується – заявлений «швидкий старт» інтерфейсу: менше 100мс від подачі харчування до початку обміну даними.
Ще одна опція (необов'язкова) – збільшення амплітуди передачі з 1 до 2.4В для покращення відношення сигнал/шум, зменшення кількості помилок, протидії індустріальним перешкодам.
Ну і, ясна річ, EEE. Це спосіб економити електрику за рахунок відключення передавача, якщо на даний момент немає даних передачі. На діаграмі показано, як це виглядає:
Немає даних - надсилаємо повідомлення "я пішла спати" і відключаємося. Зрідка прокидаємося і надсилаємо повідомлення "я ще тут". Коли з'являються дані, протилежному боці видається попередження "я прокидаюся" і починається передача. Тобто постійно працюють тільки приймачі.
Тепер подивимося, що вигадали з другим варіантом стандарту.
10BASE-T1S
Вже з останньої літери зрозуміло, що це протокол для коротких відстаней (short reach). Але навіщо вона потрібна, якщо на коротких відстанях і T1L працює? Читаємо характеристики:
- дальність дії до 15м в режимі точка-точка
- дуплекс або напівдуплекс
- проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- символьна швидкість 12.5Мбод
- DME, кодування 4B5B
- сигнал з амплітудою 1В (1Vpp)
- до 4-х проміжних роз'ємів (і два кінцеві)
- немає підтримки EEE
Начебто нічого особливого. То навіщо він потрібен? А ось для цього:
- дальність дії до 25м в режимі мультипоінт (до 8 вузлів)
І цього:
- режим роботи із запобіганням колізій PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
І це вже набагато цікавіше, чи не так? Т.к. допомагає сильно зменшити кількість проводів у керуючих шафах, верстатах, роботах, автомобілях. І вже є пропозиції використовувати його як заміну I2C у серверах, комутаторах та іншій електроніці.
Але режим мультипоінт має недоліки. Основний з них - середовище передачі даних, що розділяється. Звичайно, колізії дозволяються за допомогою CSMA/CD. Але невідомо, яка буде затримка. А для деяких застосувань це критично. Тому у новому стандарті доповнили мультипоінт спеціальним режимом PLCA RS (див. наступний розділ).
Другий недолік – у мультипоінті не працює PoDL. Тобто харчування доведеться подавати окремим кабелем або брати десь на місці.
Втім, у режимі точка-точка PoDL працює і на T1S.
PLCA RS
Працює цей режим так:
- вузли розподіляють між собою ідентифікатори, вузол ID=0 стає координатором
- координатор видає в мережу BEACON signal, що означає початок нового циклу передачі та передає свій пакет даних
- після передачі пакета даних черга на передачу переходить до наступного вузла
- якщо протягом часу, необхідного для передачі 20 біт вузол не почав передачу, черга переходить до наступного вузла
- коли всі вузли передали дані (або пропустили свою чергу), координатор розпочинає новий цикл
Загалом це нагадує TDMA. Але з тією особливістю, що вузол не використовує свій тимчасовий кадр, якщо йому нема чого передавати. І розмір кадру жорстко не заданий, т.к. залежить від розміру пакета даних, що передається вузлом. І все це працює поверх стандартних кадрів Ethernet 802.3 (PLCA RS не обов'язковий, тому має бути сумісність).
Результат використання PLCA – унизу на графіках. Перший – затримка залежно від завантаження, другий – пропускна здатність залежно кількості передавальних вузлів. Добре помітно, що затримка стала набагато більш передбачуваною. І вона в гіршому випадку на 2 порядки менша, ніж у гіршому випадку CSMA/CD:
І пропускну здатність каналу у разі PLCA вище, т.к. не витрачається на дозвіл колізій:
Р Р ° Р · СЉС'РјС <
Спочатку вибирали з 6 варіантів роз'ємів, запропонованих різними фірмами. В результаті зупинилися на цих двох варіантах:
Для звичайних умов експлуатації було обрано LC-роз'єм IEC 63171-1 компанії CommScope.
Для серйозних умов експлуатації – сімейство роз'ємів IEC 63171-6 (колишній 61076-3-125) компанії HARTING. Ці роз'єми розраховані на ступені захисту від IP20 до IP67.
Зрозуміло, роз'єми та кабелі можуть бути як UTP, так і STP.
Інше
Можна використовувати звичайний чотирипарний Ethernet-кабель, використовуючи кожну пару для окремого каналу SPE. Щоб не тягнути кудись вдалину чотири окремі кабелі. Або використати однопарний кабель, а на дальньому кінці поставити комутатор однопарного Ethernet.
А можна підключити цей комутатор прямо в локальну мережу підприємства, якщо в далекі дали вже простягнута мережа по оптоволокну. Встромити там датчики, а показання з них дивитися тут. Прямо по мережі. Без конвертерів інтерфейсів та шлюзів.
І це не обов'язково повинні бути датчики. Можуть бути відеокамери, домофони чи «розумні» лампочки. Приводи яких клапанів або турнікети на прохідних.
Тож перспективи відкриваються цікаві. Навряд, звичайно, SPE замінить всі польові шини. Але добрий шматок він у них відкусить. В автомобілях-то точно.
PS Я не знайшов текст стандарту у відкритому доступі. Наведена вище інформація збиралася по шматочках із різних презентацій та доступних в інтернеті матеріалів. Тож у ній можуть бути неточності.
Джерело: habr.com