Single Pair Ethernet 10BASE-T1S: Zurück in die Ethernet-Zukunft

Anbieter zum Thema

Microchip Technology GmbH

ACTRON AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

congatec GmbH

Single Pair Ethernet zwischen IT und OT: Wie 10BASE-T1S und PLCA Multidrop-Netzwerke ermöglichen, den Gateway-Aufwand reduzieren und welche Punkte Entwickler beachten sollten.

Dieser Artikel erklärt die Bedeutung von Single Pair Ethernet (SPE) und wie es die industrielle Kommunikation, die bisher als Operational Technology (OT) galt, in die Lage versetzt, die Funktionen moderner Informationstechnologie-Netzwerke (IT) zu nutzen. Anschließend werden die Einschränkungen der ursprünglichen Halbduplex-Ethernet-Lösung CSMA/CD erörtert und dem Leser verständlich gemacht, wie Physical Layer Collision Avoidance (PLCA) die Nutzung der nahezu gesamten 10 Mbit/s Bandbreite in einem 10BASE-T1S-Multidrop-Mixing-Segment ermöglicht. Als Nächstes wird erörtert, wie 10BASE-T1S eine IT-basierte Netzwerklösung darbietet, die besser als bisherige OT-Lösungen basierend auf CAN oder RS-485 ist. Auf der Grundlage dieser Informationen werden dann Richtlinien bereitgestellt, die es Softwarearchitekten und -ingenieuren ermöglichen, diese Halbduplex-Verbindungen optimal zu nutzen und mögliche Fallstricke zu vermeiden.

Die SPE-Standards (Single Pair Ethernet) wurden entwickelt, um Ethernet-Netzwerke in vielen Bereichen einzusetzen, in denen herkömmliche CAT-5-Kabel zu groß oder zu teuer sind. Die Standards decken einen breiten Bereich von Datenraten und maximalen Kabellängen ab, darunter sogar Multidrop-Topologien mit 10 Megabit/Sekunde, wie in Abbildung 1 dargestellt. Wie alle Ethernet-Standards wurden sie von der 802.3-Arbeitsgruppe der IEEE Standards Association entwickelt.

Von der Automobilindustrie bis hin zu Gebäudeautomationssystemen haben diese Standards vernetzte Cloud-to-Edge-Infrastrukturen in All-Ethernet-Systemen ermöglicht.

Single Pair Ethernet ermöglicht OT-Netzwerken die Nutzung von IT-Lösungen

Die Informationstechnologie (IT) nutzt Computer und Netzwerke zur Verwaltung und Übertragung von Daten. Die Betriebstechnologie (OT) steuert und überwacht bestimmte Geräte und Prozesse, typischerweise innerhalb industrieller Arbeitsabläufe oder in einer physischen Anlage. OT kann eine Vielzahl von Geräten verbinden, von einfachen Sensoren über programmierbare Logiksteuerungen bis hin zu industriellen Steuerungssystemen. Bisher war die OT von IT-Systemen isoliert, doch heute erfordern die Echtzeit-Prozessüberwachung und -steuerung eine umfangreichere Datenerfassung und Nutzung von Cloud Computing zur Leistungsoptimierung, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Wie diese Abbildung zeigt, heutzutage verfügen die meisten OT-Systeme auf Feldebene über mehrere verschiedene Kommunikationsmethoden. Dabei kann es sich um verschiedene Feldbusse handeln, darunter industrielle Ethernet-Busse wie EtherCAT oder PROFINET, verkettete serielle RS-485- oder CAN-Verbindungen, oder sogar gerätespezifische Steuerungsverbindungen. Damit diese Gerätetypen untereinander und mit der übergeordneten Steuerungsebene kommunizieren können, muss ein Gateway die verschiedenen Protokolle umwandeln. Die Softwarewartung von Gateways ist oft aufwändiger als die Softwarewartung von Edge-Geräten und deren Funktion.

SPE ermöglicht das in Abbildung 3 dargestellte All-Ethernet-Netzwerk. Auf den untersten Ebenen verbindet SPE die Edge-Geräte, die über gewöhnliche L2-Switches mit lokalen Controllern verbunden sind. IT und OT sind durch eine Firewall voneinander getrennt, um die Sicherheit prozessrelevanter Informationen zu gewährleisten. Eine weitere Firewall trennt IT und Cloud. Diese Netzwerktopologie benötigt keine Gateways.

Ein All-Ethernet-Netzwerk ermöglicht es den Anwendungsprogrammierern die umfangreiche Palette an Ethernet-basierten Protokollen zu nutzen, darunter auch PTP für die Zeitsynchronisation. Durch Hinzufügen von TCP/IP werden IPSEC und Sockets sowie alle darauf aufbauenden Stacks verfügbar. Außerdem können Programmierer vom Feldbuskonzept, das wiederholende Statusdaten sendet, auf ein ereignisgesteuertes Modell übergehen. Ein bekanntes Beispiels von einem ereignisgesteueretem Modell ist das MQTT-Protokoll, das viele IoT-Anwendungen ermöglicht.

PLCA Ermöglicht 10MHz-Multidrop-Netzwerke

Die frühen Ethernet Netzwerke nutzten CSMA/CD, um eine Multidrop-Verbindung über Koaxialkabel bereitzustellen. Dadurch konnten viele Geräte über ein einziges Kabel vernetzt werden. Diese Geräte versuchten jedoch immer dann zu senden, wenn keine Trägerfrequenz auf der Leitung erkannt wurde, was dazu führen konnte, dass zwei Geräte gleichzeitig senden. Dies verursacht eine Kollision, die durch einen Backoff-Prozess gelöst werden. Dieser Backoff-Prozess verursacht jedoch unbegrenzte Verzögerungen, Paketverluste und eine Verringerung der effektiven Bandbreite eines ausgelasteten Netzwerks auf etwa 3 Mbit/s. Die Netzwerkindustrie konzentrierte sich auf Vollduplex-Netzwerke mit höherer Bandbreite und CSMA/CD geriet in Vergessenheit. Die Multidrop-Konnektivität wurde durch Gateways zu anderen Technologien wie CAN und RS-485 gewährleistet.

Um das All-Ethernet-Netzwerk zu ermöglichen war eine kostengünstige Technologie zur Verbindung dieser Geräte mit geringer Bandbreite erforderlich. Daher wurde der SPE-Standard 10BASE-T1S entwickelt. Zusätzlich dazu wurde der PLCA-Standard geschaffen. Dieses Protokoll ermöglicht es Multidrop-Netzwerken eine reale Bandbreite von fast 10 Mbit/s aufrecht zu erhalten.

In PLCA wird einem Knoten, wie in Abbildung 4 dargestellt, eine Node-ID zugewiesen. Jede Node-ID entspricht einer Transmit Opportunity (TO). Der Knoten mit der ID = 0 wird als Koordinator bezeichnet und signalisiert den Beginn eines neuen PLCA-Zyklus durch die Übertragung eines speziellen Signals, das als Beacon bezeichnet wird. Nach dem Beacon hat jede Node-ID der Reihe nach eine Transmit Opportunity. Eine TO ist kein Timeslot, sondern vielmehr ein kurzes Zeitintervall, in dem der Knoten mit der Übertragung eines Ethernet-Pakets beginnen darf. Wenn der Knoten während seiner TO nicht sendet, muss er bis zur nächsten TO still bleiben. Wenn ein Knoten mit der Übertragung beginnt, dauert die TO so lange, bis das gesamte Paket übertragen ist. Alle Knoten zählen die Anzahl der Übertragungsmöglichkeiten nach dem Beacon und senden ein Paket nur in ihrer zugewiesenen TO.

10BASE-T1S Reduziert System-Kosten

10BASE-T1S stellt mehr Bandbreite zur Verfügung als fast jede andere verfügbare Lösung für Multidrop-Netzwerke. Es hat sich gezeigt, dass bis zu 50 Knoten bei einer Gesamtlänge von 100 Metern unterstützt werden können[3]. Alle Knoten auf einem Netzwerk können über einen einzigen Switch-Port mit einem einfachen Kabelpaar an ein übergeordnetes Netzwerk angeschlossen werden.

Aus Software-Sicht ist 10BASE-T1S vor allem eines: Ethernet. Abgesehen von einigen implementierungsspezifischen Registern auf der untersten Ebene des PHY-Treibers (z. B. Node-ID), kann bestehende Software bereits heute 10BASE-T1S verwenden. Es ist nicht erforderlich Gateway Software zu schreiben und zu warten. Software-Ingenieure können sich auf die Entwicklung des Anwendungscodes konzentrieren, der einen echten Mehrwert bietet, anstatt benutzerdefinierte Gateways zu warten.

Tipps für Softwareentwickler

Der wichtigste Punkt, den Sie beachten sollten, ist dass das Multidrop-Netzwerk insgesamt eine Bandbreite von 10 Mbit/s zur Verfügung hat, die sich alle Knoten teilen müssen. Die Knoten müssen die Bandbreite nicht gleichmäßig nutzen, aber jeder Knoten, der ein Paket übertragen möchte, nutzt die nächste verfügbare Übertragungsmöglichkeit der entsprechenden ID. Seien Sie vorsichtig bei der Verwendung von Debugging-Modi, die zusätzliche Pakete erzeugen, da diese zusätzliche Pakete ein zuverlässig funktionierendes Netzwerk überlasten können.

Das Mixing-Segment ist eine Broadcast-Domäne; alle Pakete werden an alle Knoten gesendet. Wenn es Pakete gibt, die an allen Knoten gesendet werden sollen, verwenden Sie Broadcast, anstatt mehrere Einzelpakete zu senden.

Wenn Latenzanforderungen bestehen, wird die Latenz basierend auf der Anzahl der Knoten und der maximalen Paketlänge bestimmt. Es kann erforderlich sein, einen oder beide dieser Parameter zu begrenzen, um eine Latenzanforderung zu erfüllen. In Fällen, in denen die Latenz sehr gering sein muss, ist es besser, einen schnelleren Ethernet-Standard zu verwenden.

Time-Sensitive Networking (TSN) kann über 10BASE-T1S unterstützt werden[4], aber die Genauigkeit kann durch die vergleichsweise langsame Taktrate der PHYs und deren Oszillatoren eingeschränkt werden. Wenn eine Anwendung Zeitstempel mit einer Genauigkeit von 1 ns erfordert, ist eine schnellere Ethernet-Technologie erforderlich.

Die beiden Enden des Mixing-Segments benötigen einen Abschlusswiderstand. Dieser kann entweder direkt am Knoten oder am physikalischen Ende der Leitung angebracht werden. Sollte dieser Widerstand fehlen, funktioniert die grundlegende Paketkommunikation nicht. Hardware-Designer müssen dafür sorgen, dass diese Abschlusswiderstände vorhanden sind.

Fazit

10BASE-T1S ist der Ethernet-Standard, der es ermöglicht, Geräte mit geringer Bandbreite kostengünstig in All-Ethernet-Netzwerke zu integrieren. Es ermöglicht die Verwendung von Multidrop-Netzwerken, die die Kosten für Verkabelung reduzieren und kostspielige Gateways mit günstigen Switch-Ports ersetzen.

Referenzen:

[1] T. Schoeneberg. Technologies: Single Pair Ethernet for Device Manufacturers [Whitepaper]. Weidmüller Interface GmbH & Co. KG

[2] Single Pair Ethernet System Alliance. Single Pair Ethernet (SPE) System Architecture [Whitepaper]

[3] Microchip Technology, AN1829 - Understanding System Intrinsic Noise: Enabling Longer Reach and More Nodes on 10BASE-T1S Systems [Application Note] 2024

[4] Time Synchronization using the LAN8650/1 [Application Note] 2025. (mc)

* Mary Sue Haydt leitet das Team, das 10BASE-T1S und andere Ethernet-Produkte für den Geschäftsbereich „Networking and Connectivity Solutions“ (NCS) von Microchip betreut. Sie ist in Karlsruhe tätig. Sie verfügt über umfassende Erfahrung im Anwendungsengineering in der Halbleiter- und Embedded-Software-Branche sowie über Erfahrung im Hardware- und Software-Design für Automotive-Ethernet- und industrielle Feldbus-Netzwerke. In den letzten Jahren hielt sie Vorträge auf der Embedded World und beim Single-Pair Ethernet Forum.

* Felix Rebel arbeitet im Team, das 10BASE-T1S- und andere Ethernet-Produkte im Geschäftsbereich „Networking and Connectivity Solutions“ (NCS) von Microchip betreut. Auch er ist in Karlsruhe tätig. Er ist spezialisiert auf 10BASE-T1S-Produkte und deren Integration auf Systemebene, vom Layout über die Leiterplattenintegration bis hin zu Firmware und Systemanforderungen. Er verfügt über umfassende Erfahrung in der industriellen Embedded-Programmierung und mit industriellen Feldbusnetzwerken. In den letzten Jahren hat er an der „Embedded World“ und der „SPS“ in Nürnberg teilgenommen und dort Microchip vertreten.

(ID:50919798)