10BASE-T1S是實現工業(yè)4.0、汽車 IVN和智能建筑中邊緣設備全以太網化的缺失環(huán)節(jié)，可與促進人工智能和機器學習的100/1000BASE-T1以太網主干網對接。這是因為10BASE-T1S可直接連接到以太網MAC層下數據鏈路層 (L2) 的現有OSI參考模型層，無需使用低效且昂貴的協議網關。10BASE-T1S多點傳送SPE也是10BASE-T1L長距離（1千米）點對點傳輸的最佳補充。《邊緣設備全以太網方案：10BASE-T1S》白皮書將系統介紹探討10BASE-T1S如何在工業(yè)和汽車中運作，本文為第一部分，將介紹工業(yè)4.0概述、汽車區(qū)域控制與全以太網化、相關標準等。

工業(yè)4.0:誘人的方案

工業(yè)4.0可以用圖1所示的自上而下的層級金字塔來說明，人工智能（AI）、機器學習（ML）、計劃、執(zhí)行、自動化、跟蹤、庫存控制、監(jiān)督控制和編組占據了工廠的前三層，底部的藍色層是工廠車間，其中邊緣節(jié)點如機器人、執(zhí)行器、運動部件、傳感器和閥門在生產線上執(zhí)行制造工作。

頂部三層通常通過點對點（P2P）局域網（LAN）進行通信。以千兆位級速度運行，而工廠車間通過多種多點網絡現場總線協議進行通信，如HART、RS-485、Mod-bus、DeviceNet、Profi-bus和CAN等，通過屏蔽或非屏蔽的雙絞線以千比特或兆比特的速度通信。這需要在高速局域網和低速工廠網絡之間使用昂貴的網關，同時導致通信碎片化，更不用說給軟件維護增加額外的復雜性了。

圖1. 工業(yè)4.0全以太網方案

汽車區(qū)域控制與全以太網化

現代內燃機（ICE）和純電動汽車（BEV）包含多達150個電子控制單元（ECU），分布在整個車輛中，控制如轉向、制動、底盤和動力系統等關鍵功能，以及信息娛樂和舒適性等不太重要的功能。

自20世紀90年代以來，全球汽車行業(yè)選擇了CAN、CAN FD、Lin和用于IVN的FlexRay “multi?drop”協議。Multi-Drop表示ECU網絡布線以菊花鏈形式相互連接，點對點拓撲減少了電纜總長度和重量（圖2）。CAN、CAN FD和FlexRay使用非屏蔽單對銅雙絞線。而LIN使用無屏蔽的單根銅線，進一步減輕了電纜重量，直接緩解了“里程焦慮”。這是BEV客戶所關注的重點。

圖2. 多點與P2P（星型）網絡拓撲

LIN支持最大20 kb/s的數據傳輸速率，CAN支持最大約1 MB/s的數據傳輸速率，CAN FD支持最大約5 MB/s的數據傳輸速率，FlexRay支持最大10 MB/s的數據傳輸速率。

先進駕駛輔助系統（ADAS）負責一些復雜的服務，如車道偏離警告、防撞、自適應巡航控制、盲點檢測和泊車輔助。這些復雜的服務處理計算機，在多個中央融合模塊內聚合，中央融合模塊由高帶寬汽車以太網P2P SPE骨干網連接，以千兆位級速率傳輸，以增強駕駛安全（圖3）。

為了更好地執(zhí)行這些復雜的ADAS服務，將IVN遷移到區(qū)域化電氣/電子面向服務架構，其中ECU和融合模塊被劃分為前-右區(qū)域、前-左區(qū)域、后-右區(qū)域、后-左區(qū)域和中央區(qū)域（圖3）。

與圖1左側工廠的底部藍色層一樣，汽車IVN中的所有邊緣ECU都使用CAN、CAN-FD、LIN或FlexRay，需要汽車以太網主干網關連接。與工業(yè)4.0一樣，全以太網化是實現這些由ADAS驅動的復雜服務的合理方案。雖然與簡單功能相關的ECU可能會繼續(xù)使用傳統的LIN、CAN和FlexRay協議，但與復雜的服務相關的大多數ECU將采用10BASE-T1S，如果不是為了提高效率、降低成本和減輕重量（無網關），也是為了以太網“免費”提供的（現有的）增強安全功能。網絡安全對汽車市場至關重要，本白皮書稍后將在安全和MACsec的框架內進行討論。

圖3. 區(qū)域電氣/電子面向服務的體系結構

IEEE802.3cg規(guī)范和10BASE?T1S

2019年，IEEE批準了針對工業(yè)、汽車和智能建筑10Mb/s網絡的802.3cg規(guī)范。定義了兩個新的物理層:

1. 10BASE-T1L（第146條）

2. 10BASE-T1S（第147條）

10BASE-T1L（或長距離）是一種物理層規(guī)范，適用于10MB/以太網局域網，通過單對平衡導線，在點對點（P2P）拓撲結構中以全雙工方式傳輸，傳輸距離至少為1000米。

10BASE-T1S（或稱Short Reach）是一種物理層規(guī)范，適用于通過單平衡導線對（通常為26 AWG電纜）的10 MB/s以太網局域網，至少為:

a)點對點（P2P）拓撲，最少15米的全雙工，或

b) 最短25米，半雙工，跨多分支拓撲，支持最少8個節(jié)點。節(jié)點可與混合數據段連接在一條總線上，或連接在最大長度不超過10 cm的短截線末端（圖4）（注1）。

1. 盡管這些數字對于理解大致范圍是有用的，但應注意，它們在802.3cg中僅僅是指導性的。根據電纜、連接器、PHY和外部元件的選擇，可能會超出這些限制。文本的規(guī)范部分定義了IL/RL以及MDI阻抗的范圍。

圖4.10BASE?T1S多點混合拓撲

全雙工表示節(jié)點可以同時發(fā)送和接收，半雙工表示節(jié)點可以發(fā)送或接收，但不能同時進行。

描述10BASE-T1S的簡便方法是將其與下圖4右側所示的傳統以太網進行比較。其中每個節(jié)點通過點對點（P2P）連接到智能交換機，最長100米。每個節(jié)點包含一個PHY和一個MAC。每個MAC都包含一個全球唯一的48位地址。以太網幀的范圍為64到1518字節(jié)，包括源MAC地址和目的MAC地址。智能交換機會記住每個端口的MAC地址，在不發(fā)生沖突下，將以太網幀路由到局域網中的任何節(jié)點。大大提高了局域網的整體吞吐量。

圖5. 標準以太網下避免沖突

10BASE-T1S 局域網（圖4）具有與傳統局域網類似的優(yōu)點，任何節(jié)點可以發(fā)送和接收以太網幀（不同時）。圖5的右側所示，需要16個PHY才能完成傳統的以太網8節(jié)點局域網。而圖4的10BASE-T1S 8節(jié)點局域網只需要8個PHY。10BASE-T1S不僅將PHY數量減少了一半，還減少了局域網中使用的電纜長度和重量。當然，傳統的以太網數據速率遠遠超過10Mb/s，可以達到10Gb/s，甚至更高。但對于10Mb/s帶寬就足夠的應用來說（即工業(yè)4.0的底層和汽車IVN中的大多數邊緣ECU），10BASE-T1S非常適合。

10BASE?T1S 局域網（圖4）如何在沒有智能交換機的情況下避免數據包沖突？答案是PLCA(物理層沖突避免機制)（參見IEEE 802.3cg第148條）。

物理層沖突避免機制

圖4所示的PLCA是10BASE-T1S在多點拓撲中運行的基礎。每個節(jié)點都分配與MAC地址無關的唯一的節(jié)點ID。ID#0稱為PLCA協調器。其他節(jié)點是“跟隨者”。只有協調器知道節(jié)點的總數，節(jié)點也包括它自己。

協調器發(fā)出觸發(fā)PLCA周期的信標，該信標是20位長的唯一物理層信號。在接收到信標時，所有節(jié)點重置它們的內部“傳輸時機定時器”，根據IEEE802.3cg規(guī)范，該定時器默認為32位。由于1位時間在10 MB/s為100 ns，因此等于3.2μs。基于它們的ID，每個節(jié)點以循環(huán)方式輪流（或有機會）“提交”以在總線上傳輸，從節(jié)點0開始。

如果一個節(jié)點在輪到它的時候沒有可傳輸的數據，它就會保持沉默。其他節(jié)點的“傳輸時機定時器”在識別到靜默后會立即超時（默認為3.2μs），觸發(fā)下一個ID '#'“提交”進行傳輸。如果節(jié)點在其輪次期間具有準備傳輸的數據，則該節(jié)點發(fā)出COMMIT，即擴展幀前導碼的另一個物理層信號，當提交的節(jié)點將單個以太網幀或以太網幀的突發(fā)幀（注2）傳輸到總線時，所有其他節(jié)點等待。

2. 突發(fā)模式是可選的PLCA配置。默認情況下，每個節(jié)點每個定時器超時允許一個幀。

下圖6說明了PLCA循環(huán)的兩個例子。頂部是最小的PLCA周期，其中總線上的所有節(jié)點都沒有掛起的數據放到總線上，因此它們在各自的輪次期間是靜默的。相反，圖6的底部PLCA周期給出了長的PLCA周期，其中每個節(jié)點有要放到總線上的待處理數據。因此，每個節(jié)點都會發(fā)出COMMIT信號，然后繼續(xù)將以太網幀發(fā)送到總線上。

PLCA周期具有彈性，這種彈性100%基于進入總線的待定數據。當輪到任意節(jié)點時，如果該節(jié)點沒有總線的掛起數據，最不希望的就是所有其他節(jié)點等待很長時間。例如，發(fā)生在諸如FlexRay的TDMA（時分多址）系統中。

圖6. PLCA物理層沖突避免

IEEE802.3cg規(guī)范要求32位“傳輸時機定時器”轉換為3.2μs靜默。如果10BASE-T1S多點類型上的所有節(jié)點一致，則可以使用更短或更長的“傳輸時機定時器”位長度。

表1總結了常見的以太網標準，其中SPE（單對以太網）在汽車中普遍使用，減少了BEV（純電動汽車）的“里程焦慮”（較低的重量）。工業(yè)4.0使用2/4對MPE（多對以太網），可以在千兆級速率下具有更遠的傳輸距離。

表1. 多對以太網（MPE）和單對以太網（SPE）

3. 原則上，10BASE?T1L可與非屏蔽電纜一起使用，但此選項僅限于低EMC環(huán)境。

功耗

將10BASE-T1S與其他技術進行比較時，需要考慮的另一個重要因素是功耗。隨著電動汽車、物聯網和綠色經濟的出現，在為可能擁有幾十到數百個端口的系統選擇物理層時，這一特性變得極其重要。

點對點以太網PHY是時鐘環(huán)路系統，需要“主”和“從”設備之間的連續(xù)空閑信號，使CDR、均衡器、回聲消除器和其他自適應濾波器能夠工作。相反，10BASE-T1S PHY在每個接收到的數據包前導碼處執(zhí)行其濾波器的快速訓練，并在不發(fā)送時關閉發(fā)射機。由于發(fā)射機通常是PHY中功率最大，因此與點對點PHY相比，這會顯著降低功耗。考慮到10BASE-T1S不需要交換機，并且一次只有一個PHY在共享介質上傳輸，這種節(jié)省在系統級別上顯得更為顯著。

與通常需要5 V電源的CAN相比，10BASE-T1S僅需要1 VPP 發(fā)送電壓。因此，它可以在3.3 V電源下工作，并且有望在將來降至1.2 V，從而在功耗方面再次獲得巨大優(yōu)勢。

截至目前，下表總結了各種PHY的典型功耗，沒有考慮點對點以太網交換機所需的額外功率以及CAN網關連接到以太網骨干網所需的附加功率。

表2

全以太網：CAN殺手/現場總線殺手？

10BASE-T1S的優(yōu)點在于，它直接連接到數據鏈路層（L2）的現有OSI參考模型層上，位于以太網MAC層下方，如下圖7所示，該圖來自IEEE802.3cg規(guī)范圖148-1。

MAC子層以上的層保持不變

開發(fā)人員仍然可以在較高層中使用現有軟件或IP

從半導體的角度來看，只有PHY是不同的

圖7強調了10BASE-T1S相對于其他二線制網絡協議（如CAN、CAN-FD、現場總線、Mod-Bus、RS-485和工廠及汽車IVN上的其他非以太網）所具有的全以太網優(yōu)勢。您將很難找到一個比以太網更普遍、更值得信賴的連接解決方案，該解決方案在近50年的標準化、互操作性和全球市場應用中得到了驗證。

圖7. 摘自IEEE802.3cg規(guī)范圖148?1

數據線供電（PoDL）

IEEE802.3cg規(guī)范完全支持10BASE-T1L（第104條）、T1S P2P的PoDL，但不支持10BASE-T1S多點連接。P2P拓撲對于實現PoDL是相對直接的，因為只有一個節(jié)點傳送功率并且只有一個節(jié)點消耗功率，非常類似于P2P的 PoE（以太網供電）。對于PoDL，10BASE-T1S多點連接有點復雜，因為最少有8個節(jié)點，其中一個提供電源，最少有7個節(jié)點消耗功率。

然而，在某些情況下，特定客戶將所謂的“工程PoDL ”成功安裝到10BASE-T1S多點應用中。本白皮書發(fā)布時，IEEE802.3da規(guī)范仍在制定中，該規(guī)范將為10BASE-T1S多點應用指定非工程PoDL。下面討論了10BASE-T1S多點連接的“工程PoDL”示例。