以太网,一个我们时常提到的概念。虽然我们已经在对以太网的了解与应用上已经取得了很大的进步,但以太网在实际使用中仍然经常遇到不少挑战,有可能是功率的挑战、带宽的挑战、也有可能是布线的挑战、通信距离的挑战,还有可能是危险工况的挑战等等。
通过以太网物理层设备能够解决一些困难,以太网PHY作为一种物理层收发器器件,根据OSI网络模式收发以太网帧。在OSI模式中,以太网覆盖物理层和数据链路层的一部分,并由IEEE 802.3标准定义。物理层指定电信号类型、信号速度、介质和连接器类型以及网络拓扑,实施1000 Mbps的1000BASE-T、100 Mbps的100BASE-TX和10 Mbps的10BASE-T以太网标准。
PHY的关键因素考量
功耗问题肯定是首当其冲的,以太网物理层的功耗对系统的总功耗有着重大影响,采用低功耗物理层设备能够为系统中的FPGA/MCU/处理器预留提供更多的可用功耗。就单个设备而言,它整体的功耗预算在选用PHY之前就已经确定了,一般不会留给物理层太多的功耗预算,加之线路和环形拓扑需要两个端口和两个PHY,数据输入和输出的功耗要按翻倍来算,功耗不低根本不足以满足整个设备的连接要求。
(低功耗以太网PHY,Broadcom)
第二处考量则和延迟与同步相关。网络周期时间是控制器收集和更新所有器件的数据存储器所需的通信时间,低延迟PHY能大大减少网络周期时间,从而缩短网络刷新时间,单个周期内将允许更多器件连接到网络。在带宽满足数据吞吐量的前提下,降低延迟是完成同步最有效的办法。带宽已经满足了吞吐量的要求,再一味拔高带宽对延迟反而会有副作用。当然,具体的延迟会根据协议不同略有差异。
最后一点是老生常谈的稳健性,PHY需要在恶劣的工作环境下,能够承受外部辐射和传导噪声源。稳健可靠的PHY需要应对浪涌、快速瞬变脉冲、ESD、射频场感应传导干扰等等风险。
在这三点考量之外,其实数据速率的可拓展性对于PHY也很重要,现场级连接采用100 Mbps PHY中运行工业以太网协议的以太网连接,PLC和运动控制器之间的连接需要高带宽的千兆(1000BASE-T)TSN以太网连接,采用支持不同协议数据速率的PHY将让整个系统拓展性大增。
Ethernet-APL标准带来的数据速率可拓展性突破
数据速率的可拓展性与Ethernet-APL有着直接关系。Ethernet-APL,以太网高级物理层,严格来说是基于单对以太网(SPE)的增强物理层,按照新的10BASE-T1L(IEEE802.3cg-2019)以太网物理层标准,将以太网设备的进展推动了一大步。Ethernet-APL作为以太网的逻辑扩展,能够支持EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他更高级别的协议。
(以太网APL设备通信模块,Softing)
远距离的单对以太网10BASE-T1L物理层设备可以将以太网连接延伸至远程位置的边缘节点,该技术支持传送新的数据流、额外的过程变量和辅助测量数据。Ethernet-APL能够将现场设备直接连接到更高级别的系统,从而首次实现跨所有流程管理的统一通信基础设施。要与支持以太网APL的设备进行通信,需要具有集成介质访问控制的主机处理器或具有10BASE-T1L端口的以太网设备。
(10BASE-T1L 以太网PHY,ADI)
如上图,该器件集成以太网PHY内核以及所有相关的模拟电路、输入和输出时钟缓冲、管理接口控制寄存器和子系统寄存器以及MAC接口和控制逻辑,用以支持Ethernet-APL过程自动化带来长距离、稳健的10BASE-T1L以太网连接。
Ethernet-APL直接加快了跨行业的IT/OT网络融合,借助以太网物理层设备,下游应用可以在集成了Ethernet-APL的设备上自由实施多种协议,大大提高数据速率的可拓展性。
小结
在终端节点数量加速增长的背景下,为了实现以太网的无缝传输,如何在以太网物理层PHY上解决功耗、延迟以及数据可拓展性问题至关重要。在Ethernet-APL的加持下,这些物理层设备有望彻底解决以太网在实际使用中遇到的各种挑战。
通过以太网物理层设备能够解决一些困难,以太网PHY作为一种物理层收发器器件,根据OSI网络模式收发以太网帧。在OSI模式中,以太网覆盖物理层和数据链路层的一部分,并由IEEE 802.3标准定义。物理层指定电信号类型、信号速度、介质和连接器类型以及网络拓扑,实施1000 Mbps的1000BASE-T、100 Mbps的100BASE-TX和10 Mbps的10BASE-T以太网标准。
PHY的关键因素考量
功耗问题肯定是首当其冲的,以太网物理层的功耗对系统的总功耗有着重大影响,采用低功耗物理层设备能够为系统中的FPGA/MCU/处理器预留提供更多的可用功耗。就单个设备而言,它整体的功耗预算在选用PHY之前就已经确定了,一般不会留给物理层太多的功耗预算,加之线路和环形拓扑需要两个端口和两个PHY,数据输入和输出的功耗要按翻倍来算,功耗不低根本不足以满足整个设备的连接要求。
(低功耗以太网PHY,Broadcom)
第二处考量则和延迟与同步相关。网络周期时间是控制器收集和更新所有器件的数据存储器所需的通信时间,低延迟PHY能大大减少网络周期时间,从而缩短网络刷新时间,单个周期内将允许更多器件连接到网络。在带宽满足数据吞吐量的前提下,降低延迟是完成同步最有效的办法。带宽已经满足了吞吐量的要求,再一味拔高带宽对延迟反而会有副作用。当然,具体的延迟会根据协议不同略有差异。
最后一点是老生常谈的稳健性,PHY需要在恶劣的工作环境下,能够承受外部辐射和传导噪声源。稳健可靠的PHY需要应对浪涌、快速瞬变脉冲、ESD、射频场感应传导干扰等等风险。
在这三点考量之外,其实数据速率的可拓展性对于PHY也很重要,现场级连接采用100 Mbps PHY中运行工业以太网协议的以太网连接,PLC和运动控制器之间的连接需要高带宽的千兆(1000BASE-T)TSN以太网连接,采用支持不同协议数据速率的PHY将让整个系统拓展性大增。
Ethernet-APL标准带来的数据速率可拓展性突破
数据速率的可拓展性与Ethernet-APL有着直接关系。Ethernet-APL,以太网高级物理层,严格来说是基于单对以太网(SPE)的增强物理层,按照新的10BASE-T1L(IEEE802.3cg-2019)以太网物理层标准,将以太网设备的进展推动了一大步。Ethernet-APL作为以太网的逻辑扩展,能够支持EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他更高级别的协议。
(以太网APL设备通信模块,Softing)
远距离的单对以太网10BASE-T1L物理层设备可以将以太网连接延伸至远程位置的边缘节点,该技术支持传送新的数据流、额外的过程变量和辅助测量数据。Ethernet-APL能够将现场设备直接连接到更高级别的系统,从而首次实现跨所有流程管理的统一通信基础设施。要与支持以太网APL的设备进行通信,需要具有集成介质访问控制的主机处理器或具有10BASE-T1L端口的以太网设备。
(10BASE-T1L 以太网PHY,ADI)
如上图,该器件集成以太网PHY内核以及所有相关的模拟电路、输入和输出时钟缓冲、管理接口控制寄存器和子系统寄存器以及MAC接口和控制逻辑,用以支持Ethernet-APL过程自动化带来长距离、稳健的10BASE-T1L以太网连接。
Ethernet-APL直接加快了跨行业的IT/OT网络融合,借助以太网物理层设备,下游应用可以在集成了Ethernet-APL的设备上自由实施多种协议,大大提高数据速率的可拓展性。
小结
在终端节点数量加速增长的背景下,为了实现以太网的无缝传输,如何在以太网物理层PHY上解决功耗、延迟以及数据可拓展性问题至关重要。在Ethernet-APL的加持下,这些物理层设备有望彻底解决以太网在实际使用中遇到的各种挑战。
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(IEEE802.3cg-2019)以太网物理层标准,并规定了在危险场所使用的实施和防爆方法。过程自动化领域的领先公司正在PROFIBUS和PROFINET International(PI),ODVA,Inc.和FieldComm Group的框架下合作,使Ethernet-APL跨工业以太网协议工作
选择以太网PHY时的重要因素
以太网是 IEEE 802.3 中规定的接口规范。IEEE 802.3 的元素之一是以太网物理 (PHY) 层。它是用于发送和接收数据或以太网帧的收发器组件。在 OSI 模型中,以太网覆盖第 1 层(物理层)和第 2 层的一部分(数据
通过10BASE-T1L连接实现现场无缝以太网
10BASE-T1L 是新的以太网物理层标准 (IEEE 802.3cg-2019),于 2019 年 11 月 7 日在 IEEE 内获得批准。它将通过与现场级设备(传感器和执行器)的无缝以太网连接,显著提高工厂运营效率,从而极大地改变过程自动化行业。
单对以太网的进一步拓展——以太网高级物理层
,还有可能是危险工况的挑战等等。 从单对以太网到高级物理层 随着工业领域各种传感和控制功能的更新迭代,对连接的要求是越来越高,挑战越来越大。传统的一个以太网连接可能需要多条用于快速100 Mbps以太网的导线,即便如
如何选择适合的以太网PHY
以太网是IEEE 802.3中规定的一种接口规范。以太网物理(PHY)层是IEEE 802.3的其中一个元素。它是一种收发器组件,用于发送和接收数据或以太网帧。在OSI模型中,以太网覆盖第1层(物理层)和第2层(数据链路层)的一部分。
以太网笔记:快速以太网100Base-TX接口及编码
整车的EEA(Electrical/Electronic Architecture,电子电器架构)中,以太网常用的通信速率有100MHz和1000MHz(1G)。 本文聚焦100M Ethernet
工业以太网三种实现方式_工业以太网的作用
工业以太网是指用于工业控制领域的以太网,常用于自动化生产线、工厂自动化、机器人控制等领域。下面是工业以太网的三种实现方式:
基于TCP/IP协议的工业以太网:这种实现方式采用TCP/IP
发表于 03-12 17:35
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工业以太网是什么意思_工业以太网和普通以太网区别
工业以太网是指在工业环境的自动化控制及过程控制中应用以太网的相关组件及技术。工业以太网会采用TCP/IP协议,和IEEE 802.3标准兼容,但在应用层会加入各自特有的协议。
发表于 03-13 14:43
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工业以太网的原理/特点/要解决的问题
工业以太网的原理可以分为以下几个方面:
物理层:工业以太网采用的物理层接口主要有双绞线和光纤两种,其中双绞线是最常用的接口。双绞线通过不同的传输速率(如10Mbps、100Mbps、1Gbps、10Gbps等)来满足不同的工业控制需求。
发表于 03-13 14:50
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工业以太网协议结构_工业以太网协议种类
工业以太网协议结构如下:
物理层:物理层是工业以太网协议的最底层,负责传输比特流。工业以太网使用双绞线、光纤等传输介质,采用不同的物理层标准,如10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-T等。
发表于 03-13 15:06
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工业以太网和普通以太网的区别
工业以太网是一种建立在以太网技术基础上的局域网,用于实现在工业环境中的数据传输和通信控制。其本质与标准以太网相同,都是基于OSI参考模型中的第一层和第二层协议,通过物理层和数据链路层来传输数据。
发表于 03-13 17:33
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工业以太网协议的历史及其优势
正在接收帧的同时,一个专用的工业以太网MAC硬件模块已在处理该帧并将其传输到第二个以太网端口。快速转发的方式可实现以太网帧小于1 µs的端口至端口延迟。
发表于 03-20 09:54
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