Ethernetin tuore versio 10BASE-T1S tuo paljon etuja tehdasautomaation, ajoneuvojen ja tietokonejärjestelmien uusiin sovelluksiin. Tärkeimpiä ovat multidrop-verkkorakenne, lähetysdatan törmäykset estävä vuorottelu, alhainen latenssi ja vankat turvamekanismit. Kaikki järjestelmien suunnitteluun tarvittavat työkalut ovat jo käytettävissä.

Ethernet- ja IP-pohjaiset (Internet Protocol) verkot ovat levinneet jo kaikkialle. Niihin voi törmätä tavanomaisissa tietokoneverkoissa, autoteollisuudessa, esineiden internetissä (IoT) ja kaikenlaisissa automaatiosovelluksissa. Tekniikka on ollut saatavilla jo lähes 50 vuotta. Ratkaisu tarjoaa skaalattavan kaistanleveyden muutamasta megabitistä useisiin gigabitteihin sekunnissa, useilla fyysisillä siirtotavoilla. Tarjolla on testattuja ohjelmapinoja, jotka takaavat luotettavan lähetyksen siirtomedian yli.

Tietosuoja ja turvallisuus ovat tälle tekniikalle välttämättömiä, ja niiden sisällyttämiseksi Ethernet-pohjaisiin järjestelmiin on määritelty tarkat puitteet.

Ethernetin palvelukeskeinen arkkitehtuuri auttaa hallitsemaan monimutkaisuutta kapseloimalla järjestelmän eri toiminnot ja datan. Useat järjestelmät voivat kommunikoida keskenään käyttämällä yhtenäistä viestintämekanismia, jota voidaan käyttää toistuvasti ja joka mahdollistaa palvelujen helpon siirtämisen sopivaan paikkaan verkossa.

Aiemmin erityyppisten laitteiden yhdistämiseen on käytetty monia erilaisia tekniikoita. Teollisuuden automaatioratkaisuissa on käytetty useita kenttäväyliä: Ethercat, RS-485, UART jne. Autoteollisuudessa puolestaan on käytetty MOST-, CAN-, LIN- ja muita vastaavia väyliä, jotka tarvitsevat kommunikointiin monimutkaisia yhdyskäytävälaitteita eri domain-alueiden välille. Palvelinsovelluksissa on taas nähty I²C-, GPIO-, SPI- ja jopa autoteollisuuden CAN-väyläratkaisuja, joita käytetään erilaisten alijärjestelmien hallintaan. Kaikki nämä käyttävät omaa laiteliitäntää ja toteuttavat erilaisia ohjelmapinoja. Lisäksi niiden EMC-käyttäytyminen häiriöisissä ympäristöissä vaihtelee merkittävästi.

Yksinomaan Ethernetiin perustuva arkkitehtuuri sen sijaan tarjoaa monia etuja, koska samaa protokollaa käytetään fyysisestä kerroksesta riippumatta. Ethernet-kehys näyttää samalta riippumatta siitä, lähetetäänkö se 10 megabitin vai 10 gigabitin sekuntinopeudella. Kun kaistanleveyttä skaalataan tietyille sovelluksille, monimutkaisia yhdyskäytäviä ei tarvita. Usein yksi kytkin voidaan varustaa useilla PHY-siruilla, jotka toimivat eri nopeuksilla. Kehyksiä voidaan näin siirtää saumattomasti domain-alueelta toiselle tarvitsematta muuttaa mitään dataa.

Kuva 1. Ethernet-arkkitehtuuri tarjoaa paljon etuja perinteisiin väyläratkaisuihin verrattuna.

Kaikkialle levinnyt Ethernet-arkkitehtuuri yksinkertaistaa monenlaisten sovellusten suunnittelua, kokoonpanoa ja hallintaa varsinkin teollisuudessa, tietoverkoissa ja autonvalmistajien järjestelmissä. Samaa teknistä osaamista voidaan käyttää useilla eri markkinoilla.

Samoja mekanismeja voidaan soveltaa riippumatta siitä, kuinka paljon dataa on siirrettävä, sillä Ethernet-kehystä ei ole modifioitu eri nopeusasteille. Tarjolla on laaja ekosysteemi, joka koostuu lukuisten laite- ja ohjelmistotoimittajien erityisesti Ethernet-siirtoon suunnittelemista ratkaisuista.

Ethernet-yhteisö on jo suunnitellut valmiiksi arkkitehtuurit, jotka varmistavat Ethernet-linkkien kautta siirrettävien tietojen yksityisyyden ja turvallisuuden. Tämä tietoturvan infrastruktuuri ymmärretään hyvin kaikkialla.

Uusi IEEE-standardi

IEEE-yhteisö on kehittänyt Ethernet-standardista uuden muunnelman, joka tarjoaa 10 megabitin (Mb/s) kaistanleveyden yhden johdinparin muodostaman fyysisen kerroksen yli. Määritykselle on annettu nimeksi IEEE Std 802.3cg-2019. Standardin yksityiskohdat viimeisteltiin ja julkaistiin viime vuoden alkupuolella. Määritys laajentaa aiempien Ethernet-ratkaisujen fyysisen kerroksen kaistanleveyttä taajuusspektrin alapäässä.

Yksi IEEE:n spesifioima standardimuunnelma on nimeltään 10BASE-T1S, jossa S tarkoittaa lyhyttä etäisyyttä. Vastaavasti 10BASE-T1L-versio on määritelty jopa yhden kilometrin etäisyyksille asti. Tässä artikkelissa keskitytään kuitenkin T1S-versioon.

10BASE-T1S hyödyntää useiden laitteiden liittämistä tukevaa multidrop-verkkorakennetta, jossa kukin solmu liittyy samaan kaapeliin. Tämä poistaa kytkimen tarpeen ja vähentää kaapelien määrää. Kukin kaapeli sisältää vain yhden johdinparin tavanomaisen Ethernet-kaapeloinnin neljän parin sijaan.

Liitäntä voidaan toteuttaa jopa piirilevyllä. Standardi määrittää, että vähintään kahdeksan solmua voidaan liittää, mutta niitä voi olla paljon enemmänkin. Väylän pituudeksi on määritetty enintään 25 metriä ja 10 senttimetrin liitäntähaarat kullekin solmulle. Kaikki solmut jakavat 10 Mb/s kaistanleveyden.

Kuva 2. Väylän kaistanleveyden jakamisen periaate.

Standardi määrittelee myös vuorotteluun perustuvan PLCA-välitysmenettelyn (Physical Layer Collision Avoidance), joka mahdollistaa käytettävissä olevan kaistanleveyden täyden hyödyntämisen pienellä viiveellä ja korkealla palvelulaadun tasolla (QoS).

Microchip Technology on ollut keskeinen toimija tämän IEEE-standardin laadintaprosessissa, ja yhtiö on valmis tukemaan sitä puolijohdetuotteiden lisäksi myös sovelluskorteilla sekä verkkojärjestelmän simulointiin, toteuttamiseen ja analysointiin tarvittavilla työkaluilla.

PLCA-vuorottelun toiminta

Kun PLCA on käytössä, ainoastaan se PHY-laite, jolle on myönnetty lähetysmahdollisuus, saa lähettää tietoja. Lähetysmahdollisuudet osoitetaan noudattaen ns. round robin -periaatetta. Kukin PHY-laite voi lähettää tietoja vain sille osoitetun lähetysmahdollisuuden aikana ja lähettää sen jälkeen kehysinformaation. Uusi kierros aloitetaan, kun master-solmu lähettää beacon-signaalin.

Kuva 3. PLCA-menettelyn periaate.

Käytännössä on havaittu, että edestakaiset viiveet kahden solmun välillä ovat alle puoli millisekuntia, ja miltei koko 10 Mb/s kaista on hyödynnettävissä, kun käytetään iperf3-työkalua, jolla voidaan mitata suurin mahdollinen kaistanleveys IP-verkoissa.

Sovellukset

10BASE-T1S-tekniikan yleistyminen saa vetoapua rakennus- ja teollisuusautomaatiosta, autoteollisuudesta ja tietokonesovelluksista.

Teollisuuden kohteissa tätä väyläliitäntää voidaan käyttää monissa sovelluksissa järjestelmän sisäiseen hallintaan sekä lukuisten eri laitteiden kuten puhaltimien, lämpötila-anturien, jännitemittarien ynnä muiden liittämiseen. Jopa hyvin yksinkertaiset laitteet kuten kytkimet, painikkeet ja merkkivalot voidaan näin hoitaa Ethernetin avulla.

Ajoneuvoissa monet anturit toimivat melko alhaisella kaistanleveydellä ja hyötyvät verkkoarkkitehtuurista. Tämä helpottaa alijärjestelmien laajentamista varustelultaan eritasoisiin ajoneuvoihin.

Tietokonesovelluksissa 10BASE-T1S nähdään tarpeellisena järjestelmien sisäisen hallinnan liitännöissä palvelimien ja kytkinlaitteiden sisällä sekä monissa eri sovelluksissa suurten palvelimien konfiguroinnissa ja valvonnassa. Teollisuussovellusten tapaan monenlaisiin laitteisiin kuten tuulettimiin, lämpötila-antureihin ja jännitemittareihin voidaan näin päästä helposti käsiksi Ethernetin kautta.

Vaikka PoDL-tehonsyöttöä (Power over Data Lines) ei ole vielä täysin standardoitu, sen parissa työskentelee useita työryhmiä. Uusi IEEE:n muodostama työryhmä pyrkii laajentamaan 802.3cg-standardin määrityksiä niin, että siihen tulee mukaan myös PoDL-tehonsyöttö. 10BASE-T1S:n fyysinen kerros on AC-kytketty, joten se on omiaan siirtämään myös syöttötehoa etälaitteisiin.

Paljon etuja

10BASE-T1S mahdollistaa Ethernet-tekniikan laajentamisen uusiin sovelluksiin tärkeiden ominaisuuksiensa ansiosta:

• Multidrop-rakenteinen fyysinen kerros
• Ei datan törmäyksiä
• Tehokas kaistanleveyden käyttö
• Alhainen ja deterministinen latenssi
• Turvamekanismit 

Kaikkialla läsnä oleva Ethernet-arkkitehtuuri yksinkertaistaa eri sovellusten suunnittelua, toteutusta ja hallintaa teollisuuden, tietokonejärjestelmien ja autotehtaiden sovelluskohteissa.

Ensimmäiset 10BASE-T1S-komponentit ovat jo tulleet markkinoille, ja standardiin perustuvien uusien järjestelmien suunnitteluhankkeet ovat käynnissä. Kaikki tähän tarvittavat työkalut ovat jo käytettävissä.

Lisätietoja aiheesta: www.microchip.com.