רשתות מבוססות אתרנט ופרוטוקול אינטרנט (IP) נמצאות בכל מקום. ניתן למצוא אותן ברשתות מחשבים סטנדרטיות וכן ברכבים, באינטרנט של הדברים (IoT) ובכל מיני יישומי אוטומציה. הן קיימות כבר כמעט 50 שנה. הן מספקות רוחב פס מדרגי ממספר מגה-ביטים לשנייה, עד מספר ג’יגה-ביטים לשנייה, במספר מדיות פיזיות שונות. ישנן תוכנה מוכחות שזמינות להעברה אמינה ברחבי המדיום.
האבטחה והבטיחות חיוניים עבור טכנולוגיה זו וישנן מסגרות מוגדרות היטב לשילובן במערכות מבוססות אתרנט.
הארכיטקטורה מוכוונת השירות של אתרנט מסייעת בניהול המורכבות באמצעות הקפדה על פונקציות ונתונים. מערכות רבות יכולות לדבר בקלות זו עם זו באמצעות מנגנון תקשורת מאוחד שניתן לשימוש חוזר ומאפשר העברה של שירותים בקלות למיקום המתאים ברשת.
בעבר נעשה שימוש בטכנולוגיות רבות ושונות לחיבור של מכשירים שונים זה מזה. בעולם האוטומציה התעשייתית ישנם ערוצי שטח שונים, Ethercat, RS-485, UARTs וכו’. בעולם הרכב נעשה שימוש ברשתות MOST, CAN, LIN וברשתות אחרות, שמחייבות התקני מעבר מורכבים כדי לתקשר בין דומיינים. בשוק שרתי המחשבים אנו רואים את I2C, GPIO, SPI ואפילו את CAN, מעולם הרכב, משמשים לניהול תתי-מערכות שונות.
כל אחד מאלה עושה שימוש בממשק חומרה משלו ומיישם חבילות תוכנות שונות. התנהגות ה-EMC משתנה. ארכיטקטורת All-Ethernet מציעה יתרונות רבים בכך שנעשה שימוש באותו פרוטוקול ללא תלות בשכבה הפיזית. מסגרת אתרנט נראית זהה בין אם היא מועברת ב-10 מגה ביט לשנייה ובין אם ב-10 ג’יגה ביט לשנייה.
בעת שינוי גודל רוחב הפס עבור יישומים מסוימים, אין צורך בשערים מורכבים. לעתים קרובות, ניתן להתקין מתג יחיד עם שבבי PHY שפועלים במהירויות שונות, והמסגרות יכולות לעבור בצורה חלקה מדומיין אחד למשנהו ללא כל שינוי בנתונים.
איור 1 ממחיש את היתרון של ארכיטקטורת אתרנט:
ארכיטקטורת אתרנט היא בעלת יכולת להימצא בכל מקום בו-זמנית, מפשטת את העיצוב, התצורה והשליטה של יישומים רבים ושונים בעולם התעשייה, המחשבים או הרכב. ניתן להשתמש באותה מומחיות טכנית בשווקים שונים. נעשה שימוש באותם מנגנונים ללא קשר לכמות הנתונים שיש להעביר, מכיוון שמסגרת האתרנט אינה משתנה עבור ציוני המהירות השונים. קיימת מערכת אקולוגית גדולה של ספקי חומרה ותוכנה שמתמחים בכל ההיבטים של תשתית תקשורת אתרנט.
עולם האתרנט כבר תכנן ארכיטקטורות כדי להבטיח את האבטחה והפרטיות של המידע שמועבר באמצעות קישורי אתרנט. תשתית אבטחה זו מובנת היטב.
10BASE-T1S – תקן IEEE חדש
ה-IEEE פיתח וריאציה חדשה של תקן האתרנט שמציע רוחב פס של 10 מגה ביט לשנייה על בצימוד יחיד של שכבה פיזית. המפרט מכונה IEEE Std 802.3cg-2019™. הפרטים סוכמו סופית והמפרט אמור להתפרסם בתחילת 2020. מפרט זה מרחיב את רוחב השכבות הפיזיות המודרניות של אתרנט בקצה הנמוך של ספקטרום רוחב הפס.
אחת הגרסאות המפורטות בתקן IEEE נקראת 10BASE-T1S. S מייצג טווח הגעה קצר. משתנה לטווח ארוך, שנקרא 10BASE-T1L, מוגדר גם למרחקים של עד 1 ק”מ. מאמר זה מתמקד ב-10BASE-T1S.
10BASE-T1S עושה שימוש בטופולוגיית multi-drop (חיבור במקביל לתווך משותף) כאשר כל צומת מתחבר לכבל יחיד. הדבר מבטל את הצורך במתג וכתוצאה מכך יש צורך בפחות כבלים. בכל כבל נעשה שימוש רק בזוג חוטים אחד, במקום בארבעת הזוגות המשמשים בכבלי אתרנט טיפוסיים. את החיבור ההדדי ניתן ליישם גם על גבי לוח מעגלים מודפס. התקן מציין כי ניתן לחבר לפחות שמונה צמתים, אך ניתן לחבר רבים נוספים. הוא מציין בנוסף אורך אפיק של 25 מטר, עם שאריות של 10 ס”מ לכל צומת. כל הצמתים חולקים את רוחב הפס של 10 מגה ביט לשנייה.
איור 2 ממחיש את הרעיון של שיתוף באפיק:
התקן מציין בנוסף ערכת בוררות הנקראת הימנעות מהתנגשות של שכבה פיזית (PLCA), שמציעה ניצול מלא של רוחב הפס הזמין עם זמן המתנה מופחת ואיכות שירות גבוהה (QoS).
Microchip Technology תרמה רבות לתהליך קביעת הסטנדרטים של IEEE והיא מוכנה לתמוך בו גם עם מוצרים מוליכים למחצה וגם עם לוחות יישומים וכלים הדרושים להדמיה, הטמעה וניתוח של מערכת רשת.
פרטי הימנעות מהתנגשות שכבה פיזית (PLCA)
כאשר PLCA מופעל, רק מכשיר ה-PHY שמחזיק הזדמנות לשידור רשאי לשלוח נתונים. הזדמנויות השידור מוקצות לפי תור. כל PHY יכול לשדר במהלך ההזדמנות השידור שלו ורק אז הוא יכול לשלוח מסגרת מידע. מחזור חדש מתחיל כאשר הצומת הראשי שולח איתות.
איור 3 ממחיש את התהליך.
בפועל, נצפה כי עיכובים דו-כיווניים בין שני צמתים הם באורך של פחות מחצי אלפית השנייה, כאשר כמעט 10 מגה ביט לשנייה זמינים כשמשתמשים בכלי iperf3 המשמש למדידת רוחב פס מקסימלי ברשתות IP.
יישומים
טכנולוגיית 10BASE-T1S מעוררת עניין ביישומי בניין/אוטומציה תעשייתית, רכב ומחשבים.
ביישומים תעשייתיים, תוכנית חיבורים זו נפרסת ביישומים רבים כדי לספק ניהול פנים-מערכתי ולחבר מכשירים רבים כגון מאווררים, חיישני טמפרטורה, צגי מתח וכו’. וניתן לטפל אפילו במכשירים פשוטים, כגון מתגים, כפתורים, מנורות חיווי וכו’ באמצעות תוכניות אתרנט.
במכוניות, מגוון חיישנים דורשים רוחב פס נמוך יותר ומפיקים תועלת מארכיטקטורת רשת. הדבר מקל על ההרחבה של תתי-מערכות לרמות אבזור שונות ברכב.
עולם המחשוב רואה את הצורך ב-10BASE-T1S בממשקי ניהול פנים-מערכתיים בתוך השרתים והמתגים, לצד יישומי תצורה וניטור של שרתים גדולים. בדומה לעולם התעשייה, ניתן לגשת בקלות למכשירים שונים כגון מאווררים, חיישני טמפרטורה וצגי מתח באמצעות אתרנט.
בעוד ששידור חשמל על קווי נתונים (PoDL) עדיין אינו סטנדרטי לחלוטין, ישנן קבוצות שעובדות על כך. כוח משימה חדש של IEEE נוצר כדי להרחיב את מפרט 802.3cg, כולל הוספת PoDL. השכבה הפיזית 10BASE-T1S מחוברת לזרם AC ולכן היא מעניקה לעצמה כוח נשיאה למכשירים מרוחקים.
מסקנה
10BASE-T1S מאפשר הרחבה של טכנולוגיית אתרנט ליישומים חדשים עם תכונות המפתח שלה:
- שכבת multi-drop פיזית
- ללא התנגשויות
- ניצול יעיל של רוחב הפס
- השהייה דטרמיניסטית ונמוכה
- אבטחה
ארכיטקטורת אתרנט היא בעלת יכולת להימצא בכל מקום בו-זמנית, מפשטת את העיצוב, התצורה והשליטה של יישומים רבים ושונים בעולם התעשייה, המחשבים או הרכב.
רכיבי 10BASE-T1S כבר זמינים בשוק, ועיצוב מערכות חדשות כבר יוצא לדרך כדי להטמיע את הטכנולוגיה החדשה. הכלים הדרושים לשם כך כבר זמינים. למידע נוסף ניתן לבקר באתר www.microchip.com.
Henry Muyshondt
