ECK-DATEN

Ethernet 10BASE-T1S ermöglicht eine Erweiterung der Ethernet-Technologie auf neue Anwendungen dank seiner Hauptmerkmale:

  • Physikalisches Multi-Drop Layer,
  • keine Kollisionen,
  • effiziente Bandbreitennutzung,
  • deterministische und niedrige Latenzzeit,
  • Security-Mechanismen.

Eine omnipräsente Ethernet-Architektur vereinfacht Design, Konfiguration und Steuerung vieler unterschiedlicher Anwendungen im Industrie-, Computer- und Automobilbereich. 10BASE-T1S-Komponenten sind zunehmend auf dem Markt verfügbar; Systemdesigns zur Implementation der neuen Technologie sind bereits in Arbeit. Alle dafür nötigen Werkzeuge sind bereits erhältlich.

Ethernet- und Internetprotokoll (IP)-basierte Netzwerke sind überall – in Standard-Computernetzwerken, aber auch in der Automobilindustrie, im IoT und in Automatisierungsanwen­dungen aller Art. Seit fast 50 Jahren gibt es sie schon. Sie bieten skalierbare Bandbreite von einigen Megabit bis hin zu mehreren Gigabit pro Sekunde über mehrere verschiedene physikalische Medien. Bewährte Software-Stacks gewährleisten dazu eine zuverlässige Übertragung.

Vorteile einer Ethernet-Architektur

Bild 1: Vorteile einer Ethernet-Architektur. Microchip Technology

Sicherheit und Security sind für diese Technologie von wesentlicher Bedeutung, und es gibt gut definierte Frameworks für ihre Einbindung in Ethernet-basierte Systeme.

Durch eine Verkapselung von Funktionen und Daten hilft die Service-orientierte Ethernet-Architektur bei der Bewältigung von Komplexität. Durch die Nutzung eines einheitlichen, wiederverwendbaren Kommunikationsmechanismus können viele Systeme leicht miteinander kommunizieren; zudem erlaubt dieser Mechanismus eine einfache Verlagerung von Diensten an den passenden Ort im Netzwerk.

Zur Verbindung unterschiedlicher Geräte nutzte man bisher viele verschiedene Technologien. Im Bereich Industrieautomatisierung gibt es diverse Feldbusse wie EtherCAT, RS-485, UARTs, usw. in der Automobilwelt kommen MOST-, CAN-, LIN- und andere Netzwerke zum Einsatz, die zur Kommunikation mit anderen Domänen komplexe Gateway-Geräte benötigen. Auf dem Markt der Computer-Server nutzt man zur Verwaltung verschiedener Subsysteme I2C, GPIO, SPI und sogar CAN aus der Automobilwelt.

Jedes dieser Subsysteme verwendet eine eigene Hardwareschnittstelle mit jeweils unterschiedlichem EMV-Verhalten, und nutzt dazu verschiedene Software-Stacks. Eine durchgängig Ethernet-basierte Architektur bietet viele Vorteile, da sie unabhängig vom physikalischen Layer immer mit dem gleichen Protokoll arbeitet. Ein Frame sieht unabhängig von seiner Übertragung mit 10 Mbit/s oder 10 Gbit/s immer gleich aus.

Die Skalierung der Bandbreite für bestimmte Anwendungen erfordert keine komplexen Gateways. Oft lässt sich ein einzelner Switch mit PHY-Chips ausstatten, die auf unterschiedlichen Geschwindigkeiten laufen; die Frames können dann ohne irgendeine Daten-Modifikation von einer Domäne in eine andere wechseln.

Vorteil einer Ethernet-Architektur

Eine omnipräsente Ethernet-Architektur vereinfacht Design, Konfiguration und Steuerung für viele unterschiedliche Anwendungen in den Bereichen Industrie, Computer oder Automobil (Bild 1). Das gleiche technische Fachwissen lässt sich in verschiedenen Märkten nutzen. Dabei kommen unabhängig von der Menge der zu übertragenen Daten die gleichen Mechanismen zum Einsatz, weil der Ethernet-Frame für die verschiedenen Geschwindigkeitsstufen unverändert bleibt. Es gibt ein großes, auf alle Aspekte der Ethernet-Kommunikationsinfrastruktur spezialisiertes Ökosystem.

Die Ethernet-Branche hat bereits Architekturen entwickelt, mit denen sich Security und Datenschutz der über Ethernet-Links transportierten Informationen gewährleisten lässt. Diese Sicherheitsinfrastruktur ist weithin bekannt.

10BASE-T1S – Ein neuer IEEE-Standard

Das IEEE hat eine neue Variante des Ethernet-Standards entwickelt, die eine Bandbreite von 10 Mbit/s über einen physikalischen Layer mit einem einzigen Leitungspaar bietet: IEEE Std 802.3cg-2019. Die Einzelheiten wurden bereits finalisiert; die Spezifikation soll Anfang 2020 veröffentlicht werden. Diese Spezifikation erweitert die Breite des modernen physikalischen Ethernet-Layers am unteren Ende des Bandbreitenspektrums.

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Bild 2: Konzept der gemeinsamen Bus-Nutzung. Microchip Technology

Eine der unter dem IEEE-Standard spezifizierten Varianten heißt 10BASE-T1S. S steht für Short Reach – kurze Reichweite. Eine Variante mit großer Reichweite – 10BASE-T1L genannt (L für Long Reach) – wurde für Entfernungen bis 1 km definiert. Der vorliegende Artikel konzentriert sich auf 10BASE-T1S.

10BASE-T1S nutzt eine Multidrop-Topologie, bei der jeder Knoten mit einem einzigen Kabel verbunden ist. Damit erübrigt sich ein Switch, und man benötigt weniger Kabel. Anstelle der vier Adernpaare einer typischen Ethernet-Verkabelung verwendet 10BASE-T1S nur ein Adernpaar. Die Verbindung lässt sich sogar auf einer Leiterplatte implementieren. Die Norm sieht den Anschluss von mindestens acht Knoten vor, es sind aber noch viel mehr möglich (Bild 2). Der Standard schreibt eine Buslänge von 25 m mit 10 cm langen Stichleitungen zu jedem Knoten vor. Alle Knoten teilen sich die Bandbreite von 10 Mbit/s.

Der Standard spezifiziert auch ein Arbitrierungsschema (Physical Layer Collision Avoidance – PLCA), das eine volle Ausnutzung der verfügbaren Bandbreite bei reduzierter Latenz und hoher Quality of Service (QoS) ermöglicht.

Microchip Technology hat einen wichtigen Beitrag zum IEEE-Standardprozess geleistet. Das Unternehmen ist bereit, diesen Prozess nicht nur mit Halbleiterprodukten, sondern auch mit Anwendungsboards und den für die Simulation, Implementierung und Analyse eines Netzwerksystems erforderlichen Tools zu unterstützen.

Kollisions-Vermeidung auf dem physikalischen Layer

Bei aktiviertem PLCA darf nur das für die Sendemöglichkeit autorisierte PHY-Gerät (Owner) Daten senden. Die Sendemöglichkeiten werden in einem Round-Robin-Verfahren zugewiesen. Jeder PHY kann während seiner Sendemöglichkeit einen Frame mit Informationen senden. Sobald der Master-Knoten einen Beacon sendet, beginnt ein neuer Zyklus (Bild 3).

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Bild 3: Kollisions-Vermeidung auf dem physikalischen Layer (PLCA). Microchip Technology

Beobachtungen in der Praxis zeigten, dass Round-Trip Delays zwischen zwei Knoten weniger als 0,5 ms betragen. Bei Nutzung des iperf3-Tools zur Messung der maximal erreichbaren Bandbreite in IP-Netzwerken ergab sich, dass fast die vollen 10 Mbit/s zur Verfügung stehen.

Anwendungen

10BASE-T1S-Technologie gewinnt zunehmend an Bedeutung in den Bereichen Gebäude-/Industrieautomation, Automobil- und Computeranwendungen.

In industriellen Einsatz dient dieses Verbindungsschema in vielen Anwendungen für Verwaltungsaufgaben innerhalb des Systems sowie für den Anschluss vieler Geräte wie Lüfter, Temperatursensoren, Spannungswächter usw. Selbst einfache Komponenten wie Schalter, Knöpfe, Kontrolllampen usw. lassen sich über Ethernet-Konzepte ansprechen.

In Autos benötigen etliche Sensoren nur eine geringere Bandbreite und profitieren von einer Netzwerkarchitektur. Dies erleichtert die Erweiterung von Subsystemen für unterschiedliche Fahrzeug-Ausstattungsvarianten.

Bei Computern besteht ein Bedarf an 10BASE-T1S für systeminterne Verwaltungsschnittstellen innerhalb von Servern und Switches sowie für Anwendungen zur Konfiguration und Überwachung großer Server. Ähnlich wie im Industriebereich kann man damit leicht über Ethernet auf diverse Geräte wie Lüfter, Temperatursensoren oder Spannungswächter zugreifen.

Die Übertragung von Energie über Datenleitungen (Power over Data Lines, PoDL) ist zwar noch nicht vollständig standardisiert, einige Gruppen arbeiten aber bereits daran. Eine neue IEEE-Arbeitsgruppe wurde zur Erweiterung der 802.3cg-Spezifikation einschließlich einer Ergänzung um PoDL gegründet. Das physikalische Layer von 10BASE-T1S ist AC-gekoppelt und eignet sich damit auch zur Energieübertragung an entfernte Geräte.