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802.3cg: Mehr Reichweite und Tempo für Single-Pair Ethernet

802.3cg ist ein Single-Pair-Ethernet-Standard, der Datenraten bis zu 10 MBit/s ermöglicht. Zudem erweitert er die Reichweite auf bis zu 1.000 Meter und bietet Multidrop-Funktionen.

Während sich die jüngste Ethernet-Entwicklung vor allem auf extrem hohe Datenraten konzentriert, verlangt nicht jede Anwendung Geschwindigkeiten von bis zu 400 GBit/s. Für einige Einsatzgebiete – etwa im IoT-Sektor, industriellen Bereich und in der Automobilbranche – reichen 10 MBit/s aus. Faktoren wie Kosten, Gewicht, Reichweite und der Platz für die Verkabelung sind für diese Anwendungsfälle sehr viel ausschlaggebender.

In der Vergangenheit haben etliche Netzwerktechnologien diese Faktoren unterstützt. Aber zunehmend komplexere Anwendungen erfordern höhere Datenraten. Zum Beispiel ist das Controller Area Network (CAN), hauptsächlich für Anwendungsfälle in der Automobilindustrie entwickelt, eine Multidrop-Technologie, die Nachrichten auf einer gemeinsam genutzten Leitung überträgt, um Funktionen wie Blinksignale, Türschlösser und ähnliches zu steuern.

CAN unterstützt eine maximale Datenrate von circa 1 MBit/s. Das genügt, um Türen zu entriegeln und Blinksignale zu steuern, nicht aber für Rückfahrkameras und Radareinheiten, die mittlerweile in vielen Fahrzeugen installiert sind.

Konventionelle Ethernet-Kabel mit vier Doppeladern unterstützen diese Anforderungen an die Datenrate, erhöhen aber das Gewicht und nehmen mehr Platz ein. Auch IoT-Geräte sind komplexer geworden und tauschen mehr Daten aus. Darüber hinaus eignet sich das aktuelle Limit von 100 Metern Reichweite von Shared Ethernet nicht für Werksmontagen.

IEEE 802.3cg: Der Standard, der die Ethernet-Reichweite erhöhen soll

Angesichts dieser veränderten Anforderungen begann das IEEE Anfang 2017 mit der Definition von IEEE 802.3cg. Dieser neue Standard für Single-Pair Ethernet ist dazu gedacht, Datenraten von bis zu 10 MBit/s zu unterstützen. Mit IEEE 802.3cg soll Folgendes festgelegt werden:

  1. ein Point-to-Point- und ein Multidrop-Standard für kurze Reichweiten mit einer maximalen Länge von 25 Metern; und
  2. ein Point-to-Point-Standard für große Reichweiten, der Distanzen von bis zu 1.000 Metern unterstützt.

Außerdem soll 802.3cg die Kompatibilität mit vorhandenen Ethernet-Standards wahren. Der neue Standard behält das Paketformat bei und nutzt die gleichen Größen-, Temperatur- und Emissionsvorgaben. Zudem unterstützt er Autonegotiation zwischen Endpunkten bei Point-to-Point-Verbindungen. 802.3cg beherrscht darüber hinaus Power over Ethernet (PoE).

Durch die Unterstützung von Ethernet im gesamten Unternehmen vereinfacht 802.3cg Verbindungen zwischen industriellen Netzwerken und Unternehmensnetzwerken. Der Vorteil eines zweiadrigen gegenüber einem achtadrigen Kabel besteht darin, dass Ersteres nur ein Viertel so viel wiegt, ein Viertel weniger Platz beansprucht und weniger kostet als Letzteres.

10Base-T1S und 10Base-T1L

IEEE 802.3cg umfasst zwei Link-Layer-Standards. Beide unterstützen Datenraten von bis zu 10 MBit/s über Single Twisted Pair:

  1. 10Base-T1S für Netzwerke bis zu 25 Metern
  2. 10Base-T1L für Netzwerke bis zu 1.000 Metern
Abbildung 1: Die zwei in den 802.3cg-Spezifikationen enthaltenen Link-Layer-Standards im Vergleich: 10Base-T1S und 10Base-T1L.
Abbildung 1: Die zwei in den 802.3cg-Spezifikationen enthaltenen Link-Layer-Standards im Vergleich: 10Base-T1S und 10Base-T1L.

10Base-T1S

Der 10Base-T1S-Standard für kurze Reichweiten zielt vor allem auf Anwendungen in der PKW- und LKW-Industrie ab. Er enthält Optionen sowohl für Point-to-Point- als auch für Multidrop-Netzwerke. Stationen in einem Multidrop-Netzwerk können mit der CSMA/CD-Zugriffsmethode (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) von Standard-Ethernet ein Kabel gemeinsam nutzen. Alternativ können sie auch PLCA (PHY-Level Collision Avoidance) nutzen.

PLCA definiert eine Möglichkeit, ein Shared Network mit hoher Auslastung zu betreiben, ohne dass es zu den Kollisionen kommt, die den Durchsatz verringern, wenn ein CSMA/CD-Link an seine obere Kapazitätsgrenze stößt. PLCA verwendet eine Methode, die konzeptionell Token Ring oder TDMA (Time Division Multiple Access) ähnelt, sich aber doch von beiden unterscheidet.

Bei PLCA wird jeder Knoten mit einer Node-ID konfiguriert, und der Knoten mit ID 0 wird als PLCA-Koordinator festgelegt. Der Koordinator initiiert einen Zyklus, indem er eine Beacon-Nachricht sendet. Die anderen Knoten nutzen diese, um ihre Taktgeber zu koordinieren.

Jeder Knoten bestimmt, wann er Daten senden darf. Dazu lauscht er am Kabel und wartet, bis der Knoten mit einer um eins niedrigeren ID als er selbst seine Übertragung beendet. Dann folgt eine 20-Bit-Ruheperiode, die als Transmit Opportunity (Übertragungsmöglichkeit) bezeichnet wird. Nach dieser Periode kann der nächste Knoten mit seiner Übertragung beginnen. Jeder Knoten darf seine gesamten Daten senden.

Nachdem der letzte Knoten die Möglichkeit zur Datenübertragung erhält, initiiert der PLCA-Koordinator den nächsten Zyklus mit einem anderen Beacon. PLCA erzielt einen höheren Durchsatz als TDMA oder Token Ring, weil die Knoten keine Nachrichten auf mehrere Zeit-Slots aufsplitten müssen. Außerdem verbraucht die Transmit-Opportunity-Phase von 20 Bit weniger Bandbreite als ein Token-Paket.

10Base-T1L

Die Option für große Reichweiten im 802.3cg-Standard – 10Base-T1L – ist für IoT-Anwendungen und Industriesteuerungen konzipiert. Der Radius von 1.000 Metern reicht für den Einsatz in großen Fabriken oder Lagern aus.

Und 10 MBit/s genügen, um Daten von Sensoren zu erfassen, sowie viele Arten von Industriemaschinen zu überwachen und zu steuern. 10Base-T1L bietet die gleichen Vorteile wie die Variante für kurze Reichweiten: Kompatibilität mit achtadrigem Ethernet sowie niedrigere Kosten, geringeres Gewicht und weniger Platzbedarf.

IEEE 802.3cg wurde im November 2019 als Standard veröffentlicht. Derzeit finden sich nur wenige Gerätetypen, die für Single-Pair-Anschlüsse umgerüstet worden sind. Doch aufgrund der Vorteile in puncto Kosten, Gewicht und Platz dürfte es nicht lange dauern, bis kompatibles Equipment auf den Markt kommt.

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