ЛЕКЦИЯ 12 «Оборудование сетей Еthernet» 1. Мосты, маршрутизаторы и сетевые адаптеры Ethernet. 1. 2. Адаптеры с внешними и внутренними трансиверами. 2. Ethernet в настоящий момент. 3. Тепловые и ЕМС – характеристики сетей Ethernet. 4. Кабели и разъемы. 5. Энергопотребление. 6. Топология промышленной сети Ethernet. 7. Управление в сети Ethernet с топологией «кольцо» . 8. Ethernet контроллер-коммутатор.
1. Мосты, маршрутизаторы и сетевые адаптеры Ethernet. Мосты и маршрутизаторы, строго говоря, не совсем правильно относить к специфическому сетевому оборудованию. В большинстве случаев они представляют собой универсальные компьютеры, работающие в сети и выполняющие специфическую функцию соединения двух и более частей сети (сегментов), хотя существуют мосты и маршрутизаторы, жестко специализированные на работе в сети. В частности, маршрутизаторы выпускаются рядом фирм в виде модулей, устанавливаемых в концентраторы на базе их шасси. Понятно, что стоимость таких устройств ниже, чем маршрутизаторов на базе компьютеров. Мосты в сетях Ethernet до недавнего времени были основными устройствами, применявшимися для разбиения сети на части (для сегментирования сети). Их стоимость меньше, чем маршрутизаторов, а быстродействие выше, к тому же они прозрачны для протоколов второго (канального) уровня модели OSI. Абоненты сети могут не знать о наличии в сети мостов, и все их пакеты доходят до нужного адресата по всей сети без всяких проблем.
Мост, как правило, представляет собой компьютер, в который установлено от двух до четырех сетевых адаптеров. Каждый из этих адаптеров соединен с одним из сегментов сети. Конфигурация сети Ethernet с мостами может быть довольно сложной (Рис. 1), но в ней не должно быть замкнутых маршрутов (петель), альтернативных путей доставки пакетов (рис. 2. ). В противном случае в результате многократного прохождения широковещательных пакетов по замкнутому маршруту возникают перегрузки сети (так называемые широковещательные штормы) и ряд других проблем. Чтобы этого не происходило, в мостах предусматривается алгоритм основного дерева (spanning tree), который позволяет в результате диалога между всеми мостами отключать порты, участвующие в создании петель (например, оба порта моста 2 на рис. 2). Одномоментно мост может обрабатывать (ретранслировать) только один пакет, и не более, в отличие от коммутатора. Любой пакет, приходящий на один из портов, обрабатывается следующим образом:
Рис. 1 Сеть Ethernet с мостами.
Рис. 2. Петля в сети с мостами 1 и 2.
1. Мост выделяет адрес источника (отправителя) пакета и ищет его в таблице адресов абонентов, относящейся к данному порту. Если этого адреса в таблице нет, то он туда добавляется. Таким образом, автоматически формируется таблица адресов всех абонентов каждого сегмента из подключенных к портам моста. 2. Мост выделяет адрес приемника (получателя) пакета и ищет его в таблицах адресов, относящихся ко всем портам. Если пакет адресован в тот же сегмент, из которого он пришел, то он не ретранслируется (отфильтровывается). Если пакет широковещательный или многопунктовый (групповой), то он ретранслируется во все порты, кроме принявшего. Благодаря алгоритму основного дерева можно специально дублировать соединение сегментов посредством мостов (создавать петли) для того, чтобы при отказе одной из линий связи автоматически восстанавливать целостность сети за счет пересылки пакетов по альтернативному маршруту. Кстати, алгоритм основного дерева поддерживают и некоторые коммутаторы, которые в принципе не должны работать в сети Ethernet с петлями. Мосты, как и коммутаторы, в сети Ethernet разделяют зону конфликта (область коллизии), но не разделяют широковещательную область (broadcast domain).
Это означает, что в сети через мосты свободно проходят широковещательные пакеты. В результате установки в сети моста нагрузка на каждый сегмент уменьшается, а ограничения на размер сети преодолеваются. Если пакет однопунктовый (адресован одному абоненту), то он ретранслируется только в тот порт, к которому присоединен сегмент с этим абонентом. Наконец, если адрес приемника не обнаружен ни в одной из таблиц адресов, то пакет посылается во все порты, кроме принявшего (как широковещательный). Таблицы адресов абонентов имеют ограниченный размер, поэтому они формируются так, чтобы иметь возможность автоматически обновляться. Адреса тех абонентов, которые долго не присылают пакеты, через заданное время (обычно 5 минут) стираются из таблицы. Это гарантирует, что адрес абонента, отключенного от сети или перенесенного в другой сегмент, не будет занимать лишнего места в таблице. Поскольку мост, как и коммутатор, анализирует информацию внутри кадра (физические адреса - МАС-адреса), часто говорят, что он ретранслирует кадры в целом, а не отдельные пакеты.
Этим мосты и коммутаторы отличаются от репитеров и или репитерных концентраторов. Как и в случае коммутаторов, для эффективной работы моста необходимо выполнять упоминавшееся «правило 80/20» , то есть большинство передач (не менее 80%) должно быть внутрисегментными, а не межсегментными. Традиционно мосты подразделяются на внутренние и внешние. Внутренние мосты выполняются на основе компьютера-сервера сети, в который устанавливают сетевые адаптеры (обычно до четырех), подключенные к разным сегментам сети. Строго говоря, именно эти сетевые адаптеры, а также соответствующие программные средства и называются внутренним мостом. Внешний мост представляет собой рабочую станцию, в которую установлены два сетевых адаптера. В этом случае, в отличие от внутреннего моста, сегменты должны быть только однотипными, например, Ethernet-Ethernet. Внешний мост может быть выделенным (dedicated) или невыделенным (non-dedicated) в зависимости от того, выполняет ли компьютер рабочей станции еще какие-нибудь функции, кроме сетевых. Термин «внешний» употребляется в этом случае по отношению к серверу, как основному компьютеру сети.
В любой сети может присутствовать одновременно как внешний, так и внутренний мост или несколько мостов. Как и коммутаторы Store-and-Forward, мосты могут поддерживать обмен между сегментами с разной скоростью передачи, например, Ethernet и Fast Ethernet, а также обеспечивать сопряжение полудуплексных и полнодуплексных сегментов. Полный прием пакетов в буферную память моста и их последующая передача легко решают подобные проблемы. Но мосты могут также сопрягать сети Ethernet и Fast Ethernet с сетями любых других типов, например, FDDI или Token-Ring, что не по силам большинству коммутаторов. Сетевые адаптеры ( NIC, Network Interface Card) Ethernet и Fast Ethernet могут сопрягаться с компьютером через один из следующих стандартных интерфейсов: - шина ISA (Industry Standard Architecture) – стандартной архитектуры; - шина PCI (Peripheral Component Interconnect) – расширенной периферии; - шина EISA (Enhanced ISA) - расширенной стандартной архитектуры; - шина MCA (Micro Channel Architecture) – микроканальной архитектуры; - шина VLB (VESA Local Bus) – стандартной локальной шины;
- шина PC Card (она же PCMCIA) – шина для карты ПК; - параллельный порт Centronics (LPT-порт); - последовательный порт RS 232 -C (COM-порт); Наиболее часто встречаются адаптеры, рассчитанные на системную шину (магистраль) ISA - (Industry Standard Architecture), так как эта шина пока еще распространена больше других, ее слоты расширения имеет подавляющее большинство настольных компьютеров. Именно поэтому адаптеры данного типа самые дешевые. Адаптеры для ISA выпускаются 8 и 16 -разрядными. Адаптеры 8 -разрядные дешевле, а 16 -разрядные - быстрее. Правда, обмен информацией по шине ISA не может быть слишком быстрым (в пределе - 16 Мбайт/с, реально - не более 8 Мбайт/с). Поэтому адаптеры Fast Ethernet, требующие для эффективной работы больших скоростей обмена, для этой системной шины практически не выпускаются. Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) в настоящее время постепенно вытесняет шину ISA и становится основной шиной расширения для компьютеров. Она обеспечивает обмен 32 - и 64 -разрядными данными и отличается высокой пропускной способностью (теоретически до 264 Мбайт/с), что вполне удовлетворяет требованиям не только Fast Ethernet, но и Gigabit Ethernet.
Важно еще и то, что шина PCI применяется не только в компьютерах типа IBM PC, но и в компьютерах типа Power. Mac, а также то, что она поддерживает режим автоматического конфигурирования оборудования Plug-and-Play. Видимо, в ближайшем будущем именно на шину PCI будет ориентировано большинство сетевых адаптеров. Недостаток PCI по сравнению с шиной ISA в том, что количество ее слотов расширения в компьютере невелико (обычно 3 слота). Шины MCA, EISA и VLB некоторое время конкурировали с PCI (все они обеспечивают 32 -разрядный обмен данными), но не выдержали конкуренции и быстро отмирают. На вновь выпускаемых компьютерах они уже не предусматриваются. Поэтому исчезают и сетевые адаптеры, рассчитанные на эти шины. Отметим, что адаптеры ISA полностью совместимы с разъемами EISA. Но это единственный пример подобной взаимной совместимости перечисленных интерфейсов. Шина PC Card (старое название PCMCIA) применяется пока только в портативных компьютерах класса Notebook. В этих компьютерах внутренняя шина PCI обычно не выводится наружу. Интерфейс PC Card предусматривает простое подключение к компьютеру миниатюрных плат расширения, причем скорость обмена с этими платами достаточно высока.
Однако все больше портативных компьютеров оснащается встроенными сетевыми адаптерами, так как возможность доступа к сети становится неотъемлемой частью стандартного набора функций. Эти встроенные адаптеры опять же подключены к внутренней шине PCI. При выборе сетевого адаптера, ориентированного на ту или иную шину, необходимо прежде всего убедиться, что свободные слоты расширения данной шины есть в компьютере, подключаемом к сети. Необходимо также оценить трудоемкость установки приобретаемого адаптера и перспективы выпуска плат данного типа. Последнее может понадобиться в случае выхода адаптера из строя. Параллельный (принтерный) порт LPT и последовательный СОМ-порт применяются для подключения сетевых адаптеров довольно редко. Главное достоинство использования этих портов состоит в том, что для подключения сетевых адаптеров не нужно вскрывать корпус компьютера. Кроме того, в данном случае адаптеры не занимают системных ресурсов компьютера, таких как каналы прерываний и прямого доступа к памяти, а также адреса памяти и устройств ввода/ вывода. Однако скорость обмена информацией между ними и компьютером в обоих этих случаях значительно ниже, чем при использовании системной шины.
Требуется больше процессорного времени на обмен с сетью. Адаптерам требуется внешний источник питания, так как на разъемы LPT и СОМ питание компьютера не выведено. Важнейшие характеристики сетевых адаптеров: - 1 - способ конфигурирования адаптера; - 2 - размер установленной на плате буферной памяти и режимы обмена с ней; - 3 - возможность установки на плату ПЗУ удаленной загрузки (Boot. ROM). - 4 - возможность подключения адаптера к разным типам среды передачи (витая пара, тонкий и толстый коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель); - 5 - используемая адаптером скорость передачи по сети и возможность ее переключения; - 6 - возможность использования адаптером полнодуплексного режима обмена; - 7 - совместимость адаптера (точнее, драйвера адаптера) с используемыми сетевыми программными средствами. В простейших адаптерах обмен с внутренней буферной памятью адаптера (Adapter RAM) осуществляется через адресное пространство устройств ввода/вывода.
В этом случае никакого дополнительного конфигурирования адресов памяти не требуется. Базовый адрес буферной памяти, работающей в режиме разделяемой памяти, необходимо задавать. Он приписывается к области верхней памяти компьютера (UMA, Upper Memory Address) в диапазоне адресов AOOOOh-FFFFFh. Конфигурирование адаптера подразумевает настройку на использование системных ресурсов компьютера: адресов ввода/вывода, каналов прерываний и прямого доступа к памяти, адресов буферной памяти и памяти удаленной загрузки. Конфигурирование может осуществляться путем установки в нужное положение переключателей (джамперов) или с помощью прилагаемой к адаптеру DOS-программы конфигурирования (Jumperless, Software configuration). При запуске такой программы пользователю предлагается установить конфигурацию аппаратуры при помощи простого меню: выбрать параметры адаптера. Эта же программа позволяет произвести самотестирование адаптера. Выбранные параметры хранятся в энергонезависимой памяти адаптера. В любом случае при выборе параметров необходимо избегать конфликтов с системными устройствами компьютера и с другими платами расширения. Конфигурирование может выполняться и автоматически в режиме Plug-and-Play при включении питания компьютера.
Адаптеры, поддерживающие режим Plug-and-Play , может легко установить даже неподготовленный пользователь. Все операции по конфигурированию сетевого адаптера необходимо проводить в строгом соответствии с документацией, поставляемой вместе с ним, так каждый из многочисленных производителей адаптеров обычно вносит в них что-то свое, оригинальное. Поэтому никакие более подробные универсальные рекомендации попросту невозможны. Впрочем, это можно отнести к любым достаточно сложным электронным устройствам. От размера буферной памяти адаптера зависит как скорость работы адаптера, так и его способность держать высокие информационные нагрузки. Размер буферной памяти адаптера обычно составляет от 8 Кбайт до нескольких мегабайт. Чем больше память, тем больше сетевых пакетов может в ней храниться. Для адаптеров, работающих на выделенном сервере, большой объем буферной памяти просто необходим, ведь через него пойдут все информационные потоки сети. Впрочем, самая большая буферная память не поможет, если компьютер работает медленно, не успевает перекачивать приходящую по сети информацию.
Все функции по обслуживанию обмена данными по сети в сетевом адаптере, как правило, выполняет одна специализированная микросхема или небольшой комплект микросхем (2 -3 штуки). Этим и объясняется достаточно низкая цена адаптеров. Поставщиков подобных комплектов микросхем много, поэтому очень многие адаптеры выполнены по сходным схемам. Однако организация обмена шины компьютера с адаптером может быть различной, поэтому показатели производительности адаптеров от разных изготовителей и показатели надежности их работы, особенно в экстремальных условиях, сильно различаются. Адаптер может быть рассчитан только на один тип среды передачи, к примеру, на витую пару, но может поддерживать возможность подключения и нескольких разных сред передачи, например, тонкий и толстый коаксиальные кабели. Для этого на плате адаптера устанавливаются соответствующие разъемы. Наиболее универсальны так называемые адаптеры «Combo» , которые имеют полный набор разъемов (BNC, RJ-45 и AUI для Ethernet). Для выбора конкретного типа среды передачи иногда используются установленные на плате переключатели (джамперы), как правило, их несколько и переключать их надо обязательно все вместе. Адаптеры Fast Ethernet выпускаются как односкоростными (100 Мбит/ с), так и двухскоростными (10 Мбит/с и 100 Мбит/с). Двухскоростные платы (их обычно помечают « 10/100» ) несколько дороже односкоростных, но зато они могут работать в любой сети Ethernet/Fast Ethernet без всяких проблем.
Все сетевые адаптеры должны быть сертифицированы. Сертификат FCC класса А позволяет использовать адаптер в бизнесе, сертификат FCC класса В - в домашних условиях. Стандарт предусматривает безопасный уровень электромагнитного излучения сетевого адаптера. При выборе адаптера очень важно обращать внимание на совместимость. его драйвера с сетевым программным обеспечением. Все поставщики сетевых программных средств (Novell, Microsoft и др. ) проводят работу по сертификации драйверов. Если такой сертификат имеется, то можно быть уверенным, что проблем по совместимости не будет. С другой стороны, все сетевые программные продукты поставляются с набором протестированных драйверов, совместимых с ними. Если драйвер приобретенной платы входит в этот набор, то проблем тоже, скорее всего, не будет. Известные фирмы-производители сетевых адаптеров регулярно распространяют обновленные, более быстрые и универсальные версии драйверов для своих плат. Следует отметить, что низкая цена некоторых адаптеров может объясняться как раз отсутствием сертификата, плохой совместимостью с программными средствами компьютера, низкой скоростью.
1. 2. Адаптеры с внешними и внутренними трансиверами. Адаптеры Fast Ethernet могут выпускаться с внешним, выносным модулем трансивера для подключения к среде передачи (PHY). В этом случае для присоединения внешнего модуля трансивера к адаптеру используется интерфейс МII (Media-Independent Interface), предусматривающий использование 40 -контактного разъема, подобного разъему компьютерного интерфейса SCSI. Сменный модуль трансивера может устанавливаться непосредственно на плате адаптера (в специальный вырез платы), а может связываться с платой адаптера внешним кабелем длиной до 0, 5 м (рис. 9. 5 и 9. 6). При вычислении полного времени задержки в сети необходимо учитывать и задержку в этом трансиверном кабеле. На плате трансивера располагается микросхема приемопередатчика и разъем, зависящий от типа среды (MDI Medium Dependent Interface), например, RJ-45 для витой пары. Таким образом, один и тот же адаптер может поддерживать обмен данными с любым типом среды за счет простой замены сравнительно дешевого трансивера. Понятно, что в целом подобные составные адаптеры оказываются дороже обычных адаптеров со встроенными приемопередатчиками, но иногда их
применение оправдано, если предполагается постепенная замена среды передачи, например, на оптоволоконные кабели Рис. 3. Сетевой адаптер c внешним трансивером на MII-кабеле Рис. 4. Рис. 3. Сетевой адаптер c внешним трансивером на MII-кабеле. Рис. 4. Сетевой адаптер с внешним трансивером, устанавливаемым на плату.
2. Ethernet в настоящий момент. Ethernet - это преобладающая технология в локальных сетях, и она подходит как для сетей промышленных предприятий, так и для офисных и бытовых сетей. Ethernet — это простая, надежная технология с открытым стандартом. А благодаря объемам продаж на офисном рынке стоимость реализации технологии Ethernet невелика. Изначально Ethernet применялся на предприятиях автомобильной промышленности в системах встроенной диагностики машин и механизмов, контроля и управления технологическими процессами. (On-borad Diagnostics, OBD). Теперь системы OBD на базе Ethernet используются и для диагностики, и для загрузки программного обеспечения (ПО) во внутреннюю оперативную память сложных технологических установок, и для записи информации на жесткие диски и пр. Например, принятие Ethernet в качестве автомобильной сети ускорится с введением стандартизированного интерфейса IP-диагностики, описанного в стандарте ISO 13400. Подключение стандартного Ethernet-кабеля CAT 5 к порту OBD позволит сервисным центрам по обслуживанию и ремонту автомобилей проводить тестирование с помощью обычного ноутбука или же для этого можно будет использовать внутреннюю сеть автопредприятия. А это значительно сократит усилия при проведении диагностики транспортного средства. Загрузка новых версий ПО будет происходить гораздо быстрее благодаря увеличению скорости сети до 100 Мбит/с или же до 1000 Мбит/с. Применение Ethernet на портах OBD позволяет автомобилю иметь доступ к «Всемирной
К примеру, порт можно легко подключить к беспроводному модулю, и это позволит проводить удаленную диагностику или загружать навигационные карты, видео и т. д. А новый стандарт реального времени — Ethernet AVB (Audio-Video Bridging) — даст возможность получить высокоэффективные развлекательноинформационные сетевые решения. 3. Тепловые и ЕМС – характеристики сетей Ethernet. Известно, что сети Ethernet, работающие в аппаратуре управления производственными процессами, имеют достаточно высокую производительность. Высокие температуры, сильные вибрации, высокий уровень радиации EMC, пыльная или влажная окружающая среда типичны для таких применений. Повышение температуры выше стандартных +85 °C не вызовет перегрева Ethernet-устройств благодаря их низкому энергопотреблению. Например, однопортовый Fast Ethernet 10/100 Base. T/TX трансивер — KSZ 8041 NL AM, выполненный по стандарту AECQ-100, потребляет всего 175 м. Вт. Он заключен в термически защищенный корпус MLF (5 5 мм). Отметим, что в семействе KSZ 8041 NL есть вариант, соответствующий военной спецификации, который работает при температуре окружающей среды до +125 °C. Трансивер KSZ 8041 NL AM имеет стандартный интерфейс MII для связи с МАС-контроллером. Или интерфейс RMII (сокращенный интерфейс). Особенности: Режимы управления питанием. Наличие выхода на 50 МГц для MAC. Напряжение питания: 3, 3 В. Встроенный стабилизатор для питания микропроцессора.
Дополнительные возможности: автоматическое переключение MDI/MDI-X. Аппаратный блок диагностики состояния кабеля Link. MD. Трансиверы выпускаются в корпусе 32 -MLF, температурный диапазон — от – 40 до +85 °С. В соответствии с повышенными требованиями к устройствам для промышленного и автомобильного рынков новейшие микросхемы для Ethernet уже сегодня выпускаются со значительно улучшенными характеристиками по ESD (Electrostatic Discharge, устойчивости к электростатическому разряду). Это значительное изменение по сравнению с изначальным, офисным, применением, где проблема ESD не считалась серьезной. К примеру, в трансиверах серии KSZ 8041 и в контроллерах KSZ 8851 компании Micrel обеспечена защита от ESD > 6 к. В, что соответствует тесту по HBM (Human Body Model, модель человеческого тела). Стартовые наборы для этих микросхем показали даже лучшие результаты: они обеспечивают защиту от контактных разрядов >16, 5 к. В без необходимости применения каких бы то ни было внешних устройств защиты от перенапряже-ний. Столь высокий уровень защиты превосходит требования по электромагнитной совместимости главного автомобильного стандарта BMW GS 95002. 5. Кабели и разъемы В настоящее время не существует стандарта разъемов и кабелей для автомобильного Ethernet-разъем RJ 45 и кабель CAT 5 доказали свою высокую надежность и остаются чрезвычайно популярными во многих областях, включая и промышленную. Вероятно, в первое время в автомобилях будут применяться уже существующие разъемы и
кабели, причем у каждого производителя свои. Ethernet PHY (трансиверы) можно применять с этими разъемами и кабелями без существенного ухудшения характеристик. Стандартный кабель CAN имеет характеристики, сходные с неэкранированной витой парой CAT 5. Тестирование показало, что можно в течение длительного периода времени передавать данные по Ethernet без ошибок и по CAN-кабелю длиной до 100 м. Основное отличие между ними — кабель для CAN лишь частично стандартизован и не обеспечивает контролируемого импеданса, и для него не определен шаг скрутки кабеля. Как следствие, нельзя гарантировать достоверность передачи данных, и именно поэтому кабель CAN не подходит для передачи данных на высоких скоростях. CANкабель сейчас используется в основном для встроенной диагностики по Ethernet и обновления ПО. Кабели, предназначенные для передачи данных на высоких скоростях, такие как LVDS, USB и Ethernet в автомобильном применении, — это кабели Leoni, например витая пара Dacar 503. Это экранированный кабель с контролируемым импедансом в 100 Ом, он подходит для работы до 1 Гбит/с, а его характеристики ближе скорее к CAT 6, чем к CAT 5. На самом деле это не совсем витая пара, это четыре провода, скрученные по Stern-Vierer ( «звезда c четырьмя проводами» ). Чтобы повысить надежность, применяются технологии, которые выходят за пределы, определенные стандартами Ethernet, например технология диагностики кабеля Link. MD компании Micrel. Диагностика кабеля с помощью Link. MD осуществляется путем измерения коэффициента отражения (Time Domain Reflectrometry, TDR), при этом каждая витая пара анализируется на: разрыв цепи; короткое замыкание; несоответствие импеданса.
Существует альтернатива медному кабелю — пластиковое оптоволокно (Plastic Optical Fiber, POF). Производители автомобилей уже хорошо знакомы с этой физической средой передачи, поскольку обычно именно она применяется в сетях MOST. Та же технология, которая используется в MOST (включая новый MOST-150), - 1 -мм LED POF — может применяться для передачи данных по Fast Ethernet со скоростью до 100 Мбит/с на расстояние до 100 м. Пластиковое оптоволокно чрезвычайно надежно, мало весит и, как любая оптика, невосприимчиво к электромагнитным помехам. 6. Энергопотребление в промышленности и, в частности, автомобильной электроники становится все более критичным и значимым фактором для экономии топлива. Чтобы успешно разработать проект с малым потреблением мощности по Ethernet, сначала следует выяснить, где эта мощность рассеивается. В любом Ethernet-устройстве основное рассеивание мощности происходит на трансивере (PHY). Обычно трансиверы — это простые драйверы, которые работают в непрерывном «нагруженном» режиме. Мощность рассеивается как внутри микросхемы PHY, так и снаружи - в трансформаторе. На рисунке (Рис. 5) показано рассеяние мощности в цепях Ethernet PHY для режима Current-Mode. В технической документации на микросхемы, работающие по Ethernet, обычно публикуют только текущее потребление тока - Iphy.
Для того чтобы вычислить полное потребление тока в схеме, необходимо учесть рассеяние мощности и в трансформаторе. Чтобы учесть ток в трансформаторе (Itrans), следует добавить примерно 40 м. А для трансивера 100 Base-TX, или 70 м. А для трансивера 10 Base-T. Таким образом, мощность, рассеиваемая вне микросхемы трансивера довольно существенна и, как правило, составляет приблизительно 30– 50% полного потребления тока схемы PHY. Новое поколение микросхем, выпускаемых, например, фирмой Micrel, KSZ 8021/31/51 представляет собой семейство Fast Ethernet PHY- драйверов, в которых применена смешанная аналогово-цифровая архитектура вместе с запатентованной улучшенной DSPобработкой. Все это позволило получить самое низкое в отрасли энергопотребление. Таким образом, сама микросхема в целом имеет уровень расхода энергии подобно другим микросхемам ведущих изготовителей Ethernet PHY - менее 50 м. А. Однако в этом случае не происходит потери энергии во внешнем трансформаторе, так как драйвер работает в режиме драйвера напряжения, а не в режиме драйвера тока. Следовательно, по сравнению с микросхемами других производителей достигается сохранение 50% расхода электроэнергии по сравнению с полным расходом энергии схемы. Расположения электронных компонентов на плате трансивера также упрощается, снижаются и другие аппаратные затраты, поскольку в микросхемы KSZ 8021/31/51 терминация уже встроена (Рис. 6).
Рис. 5. Рассеяние мощности в цепях Ethernet PHY для режима Current-Mode Рис. 6. В микросхемах PHY KSZ 8021/31/51 нагрузка линии (терминирование) встроено, поэтому нет необходимости в применении дополнительных компонентов.
Трансиверы серии KSZ 8051, соответствующие автомобильному стандарту AECQ-100, уже доступны для заказа. Чтобы сократить расход энергии, необходимо выяснить, как работает линия связи Ethernet. Если провести анализ сетевого трафика, то обнаружатся долго длящиеся тихие периоды, которые чередуются с относительно кратковременными «вспышками» трафика. В течение этих тихих периодов можно ожидать, что расход энергии Ethernet будет снижен, но оказывается, что это происходит не всегда. Оба стандарта связи - и 1000 Base-TX, и 100 Base-TX — разрабатывались так, чтобы абоненты, подключенные к одной линии передачи, непрерывно «синхронизировались» друг с другом. Чтобы это согласование выполнялось и в то время, когда данные не передаются, PHY автоматически отсылает в линию символы IDLE (11111, или код 5 B) так, как показано на рисунке (Рис. 7). Рис. 7. Осциллограмма сигнала 100 Base-TX в состоянии передачи символов IDLE.
Поэтому в течение любого периода, когда данные по сети не передаются, передатчик в PHY все еще работает, так же, как и при передаче данных, и поэтому он потребляет примерно такое же количество мощности. Институт по стандартизации Ethernet - IEEE, осознав неэффективность расхода энергии в этих схемах, сформировал экспертную группу, задача которой предложить метры по уменьшению расхода энергии в течение периодов малого использования линии (время простоя). Эта экспертная группа (IEEE 802. 3 az), также известная как Energy Efficient Ethernet ( «Энергосберегающий Ethernet» ), разработала метод LPI (Low Power Idle, режим низкой мощности в неактивном состоянии). Он позволяет отключать те части PHY, которые не нужны в режиме неактивного состояния, но так, чтобы при этом целостность работы линии сохранялась. Известно, что если Ethernet-трансивер не работает в активном режиме, то его программно или аппаратно можно перевести в режим отключения мощности. Однако даже в состоянии низкого потребления мощности он по-прежнему будет потреблять порядка нескольких м. А, что для многих применений крайне нежелательно. Потребление тока может быть уменьшено и по выходу самого передатчика. В спецификации IEEE 802. 3 гарантирована работа на расстояние не менее 100 м на кабель класса CAT 5. Как следствие, мощность для выходного каскада PHY задается для работы на такую длину кабеля, и выходной каскад усилителя тратит на это максимальную мощность, независимо от фактической длины подключенного к нему кабеля. В бортовых сетях, в частности на автомобилях, нет необходимости использовать кабели длиной 100 м, там применяются кабели гораздо меньшей длины.
Соответственно, можно уменьшить мощность передатчика PHY. Так, для передатчика, работающего по 100 Base-TX, можно уменьшить уровень сигнала на 50% от стандартной амплитуды сигнала в ± 1 В и при этом производить передачу данных без ошибок. Выходной ток передатчика в микросхемах для Ethernet, производимых фирмой Micrel, можно регулировать. Его можно задавать программно при записи кодового слова в регистры управления или изменяя рекомендуемое сопротивление, которое подключается между входом REXT и «землей» . Выходной ток передатчика изменится обратно пропорционально подключенному сопротивлению. Этот метод приводит к наиболее существенным результатам: сокращается энергопотребление и уменьшаются излучаемые электромагнитные помехи. 6. Топология промышленной сети Ethernet. Традиционно в сетях Ethernet применяется топология «звезда» , где многопортовый коммутатор с помощью отдельных линий подключен к остальным узлам сети. Однако промышленные сети обычно построены по топологии «кольцо» , которая позволяет упростить прокладку кабелей. Уменьшение количества применяемых кабелей дает сразу несколько преимуществ, которые весьма существенны для промышленного применения. Основной стандартный блок в сетях с топологией «кольцо» — это 3 -х портовый коммутатор, например KSZ 8873 MLL AM, соответствующий, например, автомобильному стандарту AECQ-100. Этот коммутатор предназначен для работы с применением витой пары. Особенности новых коммутаторов: низкое энергопотребление; режимы управления
питанием; возможность работы с мобильными процессорами; улучшенная система обработки данных с учетом стандарта качества Qo. S (включая протокол IPv 6); малогабаритные корпуса. В микросхемы серии KSZ 8873 также дополнительно встроены LDO для питания ядра. Коммутаторы выпускаются в корпусе 64 -LQFP, диапазон рабочих температур - от – 40 до +85 °С. В автомобильном варианте сети Ethernet скорее всего будут иметь смешанную топологию «кольца» и «звезды» . На рис. 8 показан вариант реализации автомобильной Ethernet-сети. Каждый физический интерфейс можно независимо реализовать как с помощью медного кабеля, так и с помощью оптоволокна. Как показано на Рис. 8, центральный блок межсетевого интерфейса соединяется с портом OBD и другими автомобильными сетями, такими как MOST или Flex. Ray. Блок межсетевого интерфейса подключен к главному блоку, и уже он будет соединяться со всеми бортовыми системами - навигацией, бортовым компьютером и мультимедийной системой RSE (Rear Seat Entertainment) по топологии «кольца» и «звезды» . 7. Управление в сети Ethernet с топологией «кольцо» . В отличие от сетей MOST, в сетях Ethernet обычно запрещается применять топологию «кольца» . Любые петли в сети Ethernet приведут к дублированию пакетов, а это будет способствовать снижению скорости передач и уменьшению эффективности сети.
Рис. 8. Изображение сети Ethernet с топологией «кольцо» .
Чтобы управлять «кольцом» , как правило, используются протоколы типа spanning tree (STP), которые «ломают» одну из связей, если будет обнаружена ошибка связи, и восстанавливают ее, если ошибка произойдет в другом месте в «кольце» . Отметим, что такие автомобильные коммутаторы, как 3 -портовый KSZ 8873 MLL или 5 портовый KSZ 8895 MLU компании Micrel, имеют уникальные характеристики, которые позволяют применять топологию истинного «кольца» в сетях Ethernet без необходимости в управлении, используя фильтрование пакетов по MAC-адресу отправителя. Сегодня такие аппаратные возможности коммутаторов, как «изучение» и «пересылка пакетов» , обычно бывают уже реализованы. Коммутатор «изучит» и затем будет хранить входной MAC-адрес отправителя пакета, он свяжет его с соответствующим портом в таблице «пересылки пакетов» . Порт будет принимать решение о пересылке пакета после того, как сравнит MAC-адрес получателя. Если не удается найти совпадение, то пакет будет отправлен на все выходные порты, кроме порта, на который изначально был доставлен этот пакет. В соответствии с этим механизмом MAC-адрес отправителя всегда будет только изучаться и никогда не будет использоваться в принятии решения о пересылке пакета. Фильтрование по MAC-адресу отправителя позволит отбрасывать пакеты по их MAC-адресу отправителя (вместо MAC-адреса получателя). Теперь коммутатор может обнаружить и отбросить любой пакет, который приходит с MAC-адреса отправителя, соответствующий собственному MAC-адресу процессора. Как следствие, пакеты всегда удаляются из «кольца» после одного цикла.
На рисунке (Рис. 9) показано, как это может работать. Коммутатор № 1 получает широковещательный пакет на порт № 3 (процессор) с адресом отправителя № 1. Пакет будет пересылаться по всему «кольцу» до тех пор, пока не вернется на коммутатор № 1. Коммутатор № 1 отбросит этот пакет, используя функцию фильтрования по MAC-адресу отправителя. Рис. 9. Пример реализации сети Ethernet с топологией «кольца»
8. Ethernet контроллер-коммутатор KSZ 8842 -PMBL AM - это двухканальный блок. В состав KSZ 8842 входят следующие узлы: два малопотребляющих 10/100 приемопередатчика; два блока MAC; канал прямого доступа к памяти (DMA); высокоскоростной, неблокирующий коммутатор; внутрикристальная память для таблицы обработки адресов - 1 Кбайт; внутрикристальная память для буферов кадров данных; интерфейс с процессором, разрядностью 8/16/32 бит, поддерживающий синхронные и асинхронные операции. Коммутатор KSZ 8842 может быть сконфигурирован как коммутатор (switch) или как репитер с низким временем ожидания (≤ 310 нс) для встроенных или индустриальных Ethernet -устройств. Со стороны интерфейса Ethernet коммутатор KSZ 8842 имеет полный набор стандартных функций. Кроме того, KSZ 8842 обладает расширенным набором возможностей, который включает в себя: работу в виртуальной сети на основе тега или порта — tag/portbased VLAN; поддержку режима Qo. S; счетчики событий, основанные на информации о передаваемых пакетах; интерфейс управления/данных от центрального процессора, чтобы эффективно обрабатывать адреса для приложений Fast Ethernet. Микросхемы серии KSZ работают в диапазоне температур от – 40 до +85 °С.
Неоспоримый успех Ethernet в области промышленной автоматизации доказал надежность и качество этой технологии в экстремальных условиях. Ethernet - это сочетание промышленной надежности и потребительских технологий, которые сейчас стремительно развиваются, а потому Ethernet — это прекрасная основа для реализации физического уровня и в автомобильной промышленности. В целом нет ничего сложного в технологии Ethernet. Она проста, проверена и открыта -это основные причины для ее успеха. Стоимость — критический фактор на любом рынке, а Ethernet последовательно демонстрирует самую низкую стоимость в любой области своего применения. Сегодня Ethernet уже применяется в автомобилях, чтобы с помощью стандартного IPинтерфейса загружать ПО и обеспечивать диагностику. Следующий шаг для Ethernet — сформировать основу для нового поколения автомобильных мультимедийных сетей, которые будут нести «живой» трафик. Новые стандарты типа IEEE 802. 3 AVB (Audio-Video Bridging), которые первоначально были разработаны для цифровой домашней сети, теперь приспосабливаются для поддержки тех же самых сервисов реального времени в автомобиле. Конечная цель состоит в том, чтобы заменить все автомобильные шины на одну общую – Ethernet.
Скачать презентацию ЛЕКЦИЯ 12 Оборудование сетей Еthernet 1 Мосты маршрутизаторы
Л13 ЛКС- Оборуд. Ethernet.(СД-11) -22.11.11.ppt