Flex ethernet что это
Скорости передачи данных непрерывно растут и если совсем недавно линки со скоростью 40G считались экзотикой, то сейчас они достаточно широко распространены по всему миру в датацентрах и в опорных сетях мобильных операторов и интернет провайдеров. Но прогресс в этой области не останавливается и уже стандартизировано и выпускается оборудование для передачи данных со скоростями 100G, 200G и 400G.
Существенное повышение скорости потребовало разработки новых протоколов передачи информации (например, IEEE 802.3bs, IEEE 802.3ba, OTU4), новых видов модуляции оптических сигналов (NRZ-DP-QPSK), введения обязательной проверки и коррекции ошибок (FEC) и множества других технических инноваций.
Все эти новинки и усовершенствования значительно усложняют процедуру строительства и запуска таких сетей, а также выдвигают повышенные требования к персоналу и измерительному оборудованию, необходимому для поддержания их работоспособности в процессе эксплуатации.
На этой странице приводится основная информация из подробного руководства, составленного специалистами компании EXFO, обобщающего все важные сведения по технологиям современных высокоскоростных сетей. Также в этом руководстве приводятся модели приборов для проведения всех типов измерений и описаны методики их правильного применения. Полный текст руководства можно скачать в формате PDF:
Насколько быстр 400GE?
Термин «экспоненциальный рост», возможно, несколько перегружен в наши дни, но в случае 400GE он прекрасно подходит. Условное понятие Gigabit Ethernet, относящееся к различным технологиям Ethernet, поддерживающим передачу кадров со скоростью 1 гигабит в секунду, появилось еще в 1999 году.
В настоящее время обобщающий термин Terabit Ethernet используется для описания категории скоростей в 100 гигабит в секунду и выше. На самом деле истинный «Terabit», который составляет один триллион бит в секунду, — пока лишь прогнозируемые показатели в обозримом будущем. Но и при скорости 400 гигабит в секунду технология 400G представляет собой увеличение в 400 раз по сравнению со скоростями передачи Ethernet-кадров на рубеже XXI века. Чтобы ощутить эту разницу, представьте себе соревнование галапагосской черепахи при обычной ходьбе (самого медленного вида черепах) и гепарда во время преследования (самого быстрого животного на Земле). Сравнение будет сопоставимо.
Технология 400 Gigabit Ethernet настолько быстра, что превзошла возможности обычной реализации схемы включения / выключения лазера двухуровневой импульсно-амплитудной модуляции (PAM-2). Для компенсации этого узкого места была разработана модуляция PAM-4, которая использует четыре уровня амплитуды, а не два, что позволяет удвоить общую скорость модуляции. Но поскольку различие между уровнями сигнала теперь стало намного меньше, модуляция PAM-4 стала более восприимчива к шуму.
Но технология 400G означает намного больше, чем просто новые порты Ethernet и усовершенствованная модуляция. Смена парадигмы требует проведения комплексных изменений и корректировок во всей сетевой экосистеме, чтобы обеспечить необходимую гибкость и масштабируемость при реализации инновационных проектов на недостижимых ранее скоростях передачи.
Применение анализатора оптического спектра
Анализатор оптического спектра часто применяется совместно с анализатором протоколов для поиска источников неисправностей, которые находятся на физическом уровне сетевой инфраструктуры. Анализатор оптического спектра позволяет обнаружить неисправные оптические передатчики, оптические усилители, мультиплексоры ввода-вывода, оптические фильтры и другие элементы.
Обычно анализаторы оптического спектра выпускаются в виде модульных приборов, таких как EXFO FTB-2-Pro с модулем FTBx-5245. Но также существуют немодульные приборы в настольном исполнении. На этой фотографии показан внешний вид одного из самых совершенных на сегодняшний день модуля анализатора оптического спектра EXFO FTBx-5245.
Внешний вид модуля анализатора оптического спектра EXFO FTBx-5245.
Анализатор оптического спектра позволяет увидеть распределение мощности сигнала в оптоволокне в зависимости от длины волны. Эта информация является очень важной для оценки корректости работы основных элементов физического уровня сети, таких как реконфигурируемые мультиплексоры ROADM, усилители EDFA, лазеры оптических передатчиков SFP, CFP, QSFP и др.
На этом скриншоте показан спектр реальной сети, в которой используется ROADM. Десять активных каналов со скоростью 10G расположены в центральной части графика между 1545 нм и 1553 нм. В правой части графика, начиная с длины волны 1553 нм, расположено несколько активных каналов со скоростью 40G.
Спектр DWDM системы с ROADM, в которой передаётся трафик 10G и 40G.
Помимо графического отображения формы спектра, по которой можно быстро оценить состояние сети, анализатор оптического спектра автоматически измеряет основные параметры каждого из активных каналов и сравнивает результаты с требованиями соответствующего стандарта.
На скриншоте ниже показан спектр типичной DWDM системы с разнесением каналов 100 ГГц (около 0,8 нм). Скорость передачи в каждом канале 10G, плюс используются реконфигурируемые оптические мультиплексоры ввода-вывода (ROADM). В верхней части находится график спектра (зависимость оптической мощности в дБм от длины волны в нм). На графике наглядно представлены все активные каналы (30 шт.) и около десятка неактивных каналов.
Под графиком находится таблица с подробными данными по каждому каналу: центральная длина волны канала, мощность канала, отношение сигнал/шум (OSNR), уровень шума в каждом канале, ширина канала по уровню -3 дБ и ширина канала по уровню -20 дБ. Для специалиста эта информация даёт возможность быстро оценить работоспособность сети и заранее обнаружить и заменить проблемные элементы, такие как усилители EDFA и мультиплексоры ввода-вывода каналов.
Спектр типичной DWDM системы с разнесением каналов 100 ГГц и скоростью 10G на канал.
Анализатор оптического спектра, также как и анализатор протоколов, является достаточно сложным прибором. Чтобы эффективно его использовать, необходима теоретическая и практическая подготовка. Подробная инструкция по применению анализаторов оптического спектра приводится на стр. 82 - 100 этого документа:
3 Общая структура FlexE
FlexE Group: относится к группе Ethernet PHY, связанных от 1 до n.
FlexEClients: поток Ethernet на основе физического адреса (может не соответствовать фактической скорости физического интерфейса Ethernet)
Личное понимание:
Виртуальный порт, связанный с унифицированным портом на стороне пользователя, имеет скорость, соответствующую унифицированному порту, и конкретный размер определяется в соответствии с временным интервалом, выделенным портом flexE;
FlexE Shim: промежуточный уровень, который отображает или отображает клиентов FlexE и FlexEgroup;
Протокол Ethernet POWERLINK компании B&R
Протокол Powerlink разработан австрийской компанией B&R в начале 2000-х. Это еще одна реализация протокола реального времени поверх стандарта Ethernet. Спецификация протокола доступна и распространяется свободно.
В технологии Powerlink применяется механизм так называемого смешанного опроса, когда всё взаимодействие между устройствами делится на несколько фаз. Особо критичные данные передаются в изохронной фазе обмена, для которой настраивается требуемое время отклика, остальные данные, будут переданы по мере возможности в асинхронной фазе.
Изначально протокол был реализован поверх физического уровня 100Base-TX, но позже была разработана и гигабитная реализация.
Схематическое представление сети Ethernet POWERLINK с несколькими узлами.
В изохронной фазе опрашивающий контроллер последовательно посылает запрос каждому узлу, от которого необходимо получить критичные данные.
Изохронная фаза выполняется, как уже было сказано, с настраиваемым временем цикла. В асинхронной фазе обмена используется стек протокола IP, контроллер запрашивает некритичные данные у всех узлов, которые посылают ответ по мере получения доступа к передаче в сеть. Соотношение времени между изохронной и асинхронной фазами можно настроить вручную.
Проблемы тестирования 400 Gigabit Ethernet
Более высокие скорости и использование модуляции PAM-4 дают невероятные улучшения пропускной способности, но они же ответственны за то, что вопрос тестирования оптических сетей 400G становится гораздо более сложной задачей. Прежде всего, модуляция PAM-4 всё усложняет на физическом уровне. Всегда существует вероятность, что при передаче данных могут произойти ошибки, но отныне простого количественного оценивания ошибок или тестирования на основе «нулевых» ошибок больше недостаточно для обнаружения аномалий.
Увеличенные скорости передачи данных и использование технологии FEC привело к тому, что некоторые модули с более высоким коэффициентом ошибок после FEC начали работать без ошибок вовсе, а другие — нет. Поэтому сейчас требуется более глубокое понимание статистических наблюдений и распределения ошибок, чтобы отделить паттерны с приемлемыми ошибками от неприемлемых, и, в итоге, определить истинные первопричины. Логика FEC объемна и сложна. Поэтому для тестирования 400 Gbit Ethernet вам понадобятся как логическая проверка, так и всеобъемлющий контроль динамических характеристик.
Технология 400G также привносит расширенную поддержку интеграции таких элементов, как форм-факторы QSFP-DD и CFP8 съемных оптических модулей 400G. И CFP8, к примеру, представляет собой настоящее чудо инженерной мысли, с интегрированными лазерами и драйверами, высокопроизводительными фотодиодами и микроконтроллерами, встроенными в очень маленький форм-фактор. В то же время все эти дополнительные элементы требуют стратегий, обеспечивающих 400G-тестирование и проверку этих компонентов по отдельности, а также в контексте общей структуры сети. В этих новых условиях, когда увеличивается сложность решений Ethernet под влиянием технологии 400G, ценность использования специализированного инструментария для тестирования технологии 400G, позволяющего повысить точность тестирования и при этом снизить затрачиваемое на это время, возрастает в разы.
Применение анализатора протоколов телекоммуникаций
Регулярную проверку работоспособности сети, а также поиск неисправностей выполняют с помощью анализатора протоколов. Обычно анализаторы протоколов выпускаются в виде модульных приборов, таких как EXFO FTB-4-Pro с модулем FTBx-88400NGE (для скоростей до 400G) или EXFO FTB-2-Pro с модулем FTBx-88200NGE (для скоростей до 100G). Но также существуют компактные, немодульные приборы, например серия анализаторов EXFO MAX-800.
На этой фотографии показан внешний вид модуля FTBx-88400NGE для тестирования сетей до 400G.
Внешний вид модуля EXFO FTBx-88400NGE для тестирования сетей до 400G.
На этой фотографии показан внешний вид модуля FTBx-88200NGE для тестирования сетей до 100G.
Внешний вид модуля EXFO FTBx-88200NGE для тестирования сетей до 100G.
Анализатор протоколов позволяет проверить различные элементы сетевой инфраструктуры, начиная от качества приёмопередатчиков (CFP, QSFP и др.) и заканчивая декодированием и проверкой пакетов Ethernet, OTN, SDH, CPRI-OBSAI, Fibre Channel и др. Также анализатор протоколов может генерировать различные типы трафика и таким образом проводить стресс-тесты сети для определения устойчивой скорости передачи, оптимальных параметров запуска различных сервисов и множества других параметров, с помощью которых можно тонко настроить сеть для её безотказной работы.
На этом скриншоте показан набор тестов, которые может выполнять модуль анализатора протоколов EXFO FTBx-88200NGE. Кроме классических тестов RFC 2544 и BERT, стоит особо подчеркнуть поддержку прогрессивных методик тестирования EtherSAM (Y.1564) и RFC 6349, которые позволяют эффективно тестировать и оптимизировать сетевой уровень IP и уровень TCP.
Скриншот главного меню модуля EXFO FTBx-88200NGE с набором поддерживаемых тестов.
Поскольку анализатор протоколов является сложным прибором, его эффективное использование требует глубоких теоретических знаний и практического опыта. Подробная инструкция по применению анализаторов протоколов приводится на стр. 103 - 133 этого документа:
Дополнительная информация по этой теме
На этой странице приводится основная информация из подробного руководства, составленного специалистами компании EXFO, обобщающего все важные сведения по технологиям современных высокоскоростных сетей. Также в этом руководстве приводятся модели приборов для проведения всех типов измерений и описаны методики их правильного применения. Полный текст руководства можно скачать в формате PDF:
Также Вам может быть интересна эта статья:
Если Вам необходима подробная информация по ценам или техническая консультация по выбору оптимального измерительного оборудования для Вашей задачи, просто позвоните нам или напишите нам по E-mail и мы с радостью ответим на Ваши вопросы.
ABSTRACT: The Flex Ethernet (FlexE) Implementation Agreement provides a generic mechanism for supporting a variety of Ethernet MAC rates that may or may not correspond to any existing Ethernet PHY rate. This includes MAC rates that are both greater than (through bonding) and less than (through sub-rate and channelization) the Ethernet PHY rates used to carry FlexE.This can be viewed as a generalization of the Multi-Link Gearbox implementation agreements,removing the restrictions on the number of bonded PHYs (MLG2.0, for example, supports one or two 100GBASE-R PHYs) and the constraint that the FlexE clients correspond to Ethernet rates (MLG2.0 supports only 10G and 40G clients)
Новый стандарт гибкого клиентского интерфейса Ethernet сформулирован OIF. Flex Ethernet в основном создает еще один промежуточный уровень между MAC и физическим уровнем (PHY) или подуровнем физического кодирования (PCS), который используется в качестве управления настройкой из MAC. Получите информацию о скорости передачи пакетов и данных и дайте команду PCS перекодировать при необходимости. Иерархия показана на рисунке ниже:
Инструменты тестирования 400G
Масштабируемость, гибкость и возможность обновления являются важными элементами эффективного решения для тестирования технологии 400G. Новая платформа для тестирования ONT-600 от компании VIAVI Solutions, основанная на новейшем стандарте 400G / 200G (IEEE 802.3 bs), включает в себя расширенные функции для анализа ошибок и тестовый модуль CFP8. Функциональность эксплуатационного программирования означает простоту обновления по мере развития стандарта. Также ONT-600 400G включает поддержку FEC и модуляции PAM-4. Это решение для тестирования обеспечивает идеальную платформу для поддержки проектирования, разработки и проверки всем тем, кто сейчас находится на переднем крае экосистемы высокоскоростных сетей.
Тестовый модуль N-PORT для тестирования и проверки системы продуктов класса 100G также играет важную роль в тестировании технологии 400G, так как помогает обеспечить 400G «зверя» поддержкой более низких скоростей. Тестовый модуль N-PORT — это четырехпортовое устройство с четырьмя собственными и независимыми портами QSFP28 и SFP28. Его продвинутые приложения для тестирования, включая Ethernet, OTN и Fiber Channel, помогают в разработке и тестировании новых компонентов и модулей, предоставляя поставщикам услуг ценный тестовый инструментарий для усовершенствования существующих и разработки новых технологий.
Выводы
Значительные улучшения скорости, присущие технологии 400GE, являются гигантским скачком в возможностях Ethernet. Однако увеличение скорости и пропускной способности — это лишь верхушка айсберга. 400G Ethernet не только обеспечивает большую пропускную способность, но и предоставляет правильную пропускную способность при правильной плотности.
Постоянно растущие требования к облачным вычислениям и провайдерам телекоммуникационных услуг заставляют использовать все доступные физические возможности серверов, установленных в их центрах обработки. Устранение узкого места, которым когда-то был Ethernet, окажет огромное позитивное влияние на весь этот сетевой процесс. А инновации, такие как модуляция PAM-4, сделали возможным это усовершенствование, но и одновременно создали новый набор проблем для задач тестирования и проверки новых решений и сетей 400G. Успешно решить эти задачи — это означает успешно встретить новую эру производительности сетей.
Открытые промышленные сети и стандарты PROFIBUS/NET компании Siemens
Немецкий концерн Siemens давно известен своими программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), которые используется по всему миру.
Обмен данными между узлами автоматизированной системы под управлением оборудования Siemens реализуется как по полевой шине, которая называется PROFIBUS, так и в промышленной сети PROFINET.
Шина PROFIBUS использует специальный двужильный кабель с разъемами DB-9. У Siemens он фиолетовый, но мы на практике встречали и другие :). Для связи нескольких узлов разъем может соединять два кабеля. Также в нем есть переключатель для терминального резистора. Терминальный резистор должен быть включен на концевых устройствах сети, таким образом сообщается, что это первое или последнее устройство, а после него уже ничего нет, только мрак и пустота (все rs485 так работают). Если на промежуточном разъеме включить резистор, то следующий за ним участок будет отключен.
Кабель PROFIBUS с соединительными разъемами. Источник: VIPA ControlsAmerica
В сети PROFINET используется аналог витой пары, как правило, с разъемами RJ-45, кабель окрашен в зеленый цвет. Если топология PROFIBUS —шина, то топология сети PROFINET может представлять собой что угодно: хоть кольцо, хоть звезду, хоть дерево, хоть все вместе взятое.
Существуют несколько протоколов обмена по шине PROFIBUS и в сети PROFINET.
- PROFIBUS DP — реализация этого протокола подразумевает связь с удаленными подчиненными устройствами, в случае с PROFINET этому протоколу соответствует протокол PROFINET IO.
- PROFIBUS PA — является по сути тем же PROFIBUS DP, только используется для взрывобезопасных исполнений передачи данных и питания (аналог PROFIBUS DP с другими физическими свойствами). Для PROFINET взрывобезопасного протокола по аналогии с PROFIBUS пока не существует.
- PROFIBUS FMS — предназначен для обмена данными с системами других производителей, которые не могут использовать PROFIBUS DP. Аналогом PROFIBUS FMS в сети PROFINET является протокол PROFINET CBA.
Протокол PROFINET IO делится на несколько классов:
- PROFINET NRT (без реального времени) — используется в приложениях, где временные параметры не критичны. В нем используется протокол передачи данных Ethernet TCP/IP, а также UDP/IP.
- PROFINET RT (реальное время) — тут обмен данными ввода/вывода реализован с помощью фреймов Ethernet, но диагностические данные и данные связи все еще передаются через UDP/IP.
- PROFINET IRT (изохронное реальное время) — этот протокол был разработан специально для приложений управления движением и включает в себя изохронную фазу передачи данных.
Что касается реализации протокола жесткого реального времени PROFINET IRT, то для коммуникаций с удаленными устройствами в нем выделяют два канала обмена: изохронный и асинхронный. Изохронный канал с фиксированной по времени длиной цикла обмена использует тактовую синхронизацию и передает критичные ко времени данные, для передачи используются телеграммы второго уровня. Длительность передачи в изохронном канале не превышает 1 миллисекунду.
В асинхронном канале передаются так называемые real-time-данные, которые тоже адресуются посредством MAC-адреса. Дополнительно передается различная диагностическая и вспомогательная информация уже поверх TCP/IP. Ни real-time-данные, ни тем более другая информация, разумеется, не может прерывать изохронный цикл.
Расширенный набор функций PROFINET IO нужен далеко не для каждой системы промышленной автоматики, поэтому этот протокол масштабируют под конкретный проект, с учетом классов соответствия или классов применения (conformance classes): СС-A, CC-B, CC-CC. Классы соответствия позволяют выбрать полевые устройства и магистральные компоненты с минимально необходимой функциональностью.
Источник: PROFINET university lesson
Второй протокол обмена в сети PROFINET — PROFINET CBA — служит для организации промышленной связи между оборудованием различных производителей. Основной производственной единицей в системах СВА является некая сущность, которая называется компонентом. Этот компонент обычно представляет собой совокупность механической, электрической и электронной части устройства или установки, а также соответствующее прикладное программное обеспечение. Для каждого компонента выбирается программный модуль, который содержит полное описание интерфейса данного компонента по требованиям стандарта PROFINET. После чего эти программные модули используются для обмена данными с устройствами.
Технология Flex Ethernet
Технология Flex Ethernet (гибкий Ethernet) или сокращённо FlexE была разработана в 2016 году консорциумом Optical Internetworking Forum (OIF). Эта технология позволяет эффективно передавать по стандартным Ethernet каналам потоки данных со скоростями, отличными от стандартных Ethernet скоростей. Например, можно по одному каналу 100G Ethernet передать четыре потока, со скоростью 25G.
Технология Flex Ethernet позволяет объединять несколько стандартных каналов 100G Ethernet в один более скоростной (например 400G) с назначением этому объединённому каналу индивидуального MAC адреса. Этот механизм называется Bonding.
Вторым важным механизмом Flex Ethernet является возможность передавать по стандартному каналу 100G Ethernet потоки данных с меньшими скоростями, например два потока 40G или три потока 25G. Этот механизм называется Sub-rating.
Третий компонент технологии Flex Ethernet, который называется Channelization, позволяет создавать транспортные каналы с различными скоростями, которые прозрачно передаются через физические каналы 100G Ethernet. Пример реализации возможностей технологии Flex Ethernet показан на этом рисунке.
Пример реализации возможностей технологии Flex Ethernet.
Это краткая информация о Flex Ethernet. Полный текст обзора Flex Ethernet, а также нового расширения OTUCn технологии оптических транспортных сетей OTN, смотрите на страницах 16 - 22 этого документа:
FlexE (Flexible Ethernet)
FlexE, также известный как Flexible Ethernet и FlexEthernet, является протоколом связи, опубликованный Форумом по оптическому межсетевому взаимодействию (Optical Internetworking Forum, OIF) в 2016 году. Как следует из названия, его цель состоит в том, чтобы предоставить достаточно гибкий стандарт для обеспечения возможности подключения между Ethernet и физическим интерфейсом (сервером), который не соответствует этим современным скоростям, с помощью введение «прокладки» на уровнях MAC и PCS. Это позволяет поддерживать различные протоколы уровня MAC независимо от интерфейса сервера. FlexE также обеспечивает способ для соединения нескольких каналов. Например, 400G может предоставляться как отдельный линк, два линка по 200G или четыре линка по 100G.
2 FlexE три режима
Протокол завершения FlexE поддерживает три основные возможности:
- Связывание: поддерживает MAC 200G на основе двух связанных каналов физического уровня 100G; его преимущество заключается в поддержке передачи с высокой пропускной способностью и большой длины волны;
- Разделение скорости: поддержка MAC 50G на основе передачи физического канала 100g; его преимущество заключается в увеличении скорости сети;
- Перенаправление трафика на физическом уровне: поддерживает один MAC 150G и два 25G MAC на основе двух связанных передач физического уровня 100GBASE-R; его преимущество состоит в том, что он более краток и может обеспечивать более измеримое управление услугами;
Конкретное описание показано на рисунке ниже:
Принцип автосогласования Ethernet и соответствующий тест сети
Автосогласование - одна из самых противоречивых концепций в Ethernet. Это хорошо или плохо? Это зависит от ситуации. Когда вы используете автоматическое согласование, выбор поставки, версии драйвера и администратора - все это аспекты, которые необходимо учитывать.
Что такое автосогласование?
Статья 28 стандарта 802.3 определяет функцию автоматического согласования следующим образом: она позволяет устройству уведомлять устройство на дальнем конце линии связи о своем рабочем режиме и обнаруживать соответствующий рабочий режим, сообщаемый удаленным концом. Цель автосогласования состоит в том, чтобы предоставить возможность двум устройствам совместно использовать ссылкуобменИнформационные методы и их автоматическая настройка для работы в оптимальном режиме.
В буквальном смысле автосогласование - это способ достижения максимально возможной скорости передачи между двумя устройствами. Это позволяет устройству «обсудить» возможную скорость передачи, а затем выбрать наилучшую скорость, приемлемую для обеих сторон. Они используют FLP, называемые импульсами быстрой связиобменУведомление о соответствующих возможностях передачи. FLP может сообщать одноранговому узлу, какова возможность передачи источника. При обмене FLP, два сайта определяют лучший метод, используемый обеими сторонами, в соответствии со следующими приоритетами от высокого до низкого.
- 1000BASE-T полный дуплекс
- 1000BASE-T
- 100BASE-T2 полный дуплекс
- 100BASE-TX полный дуплекс
- 100BASE-T2
- 100BASE-T4
- 100BASE-TX
- 10BASE-T полный дуплекс
- 10BASE-T
Например, A и B ведут автосогласование, а A имеет возможность полнодуплексной связи 10/100/1000, а B - только полнодуплексную 10/100, поэтому максимальная пропускная способность канала, совместно используемая обеими сторонами, составляет 100 полнодуплексных. работа. Как только обе стороны договорились автоматически, ссылка будет работать с наилучшими возможностями, которые могут поддерживать обе стороны.
Какие проблемы вызывает автоматическое согласование?
Большинство проблем, связанных с автосогласованием, связано с тем, что одна из сторон не работает в режиме автосогласования. Когда сайт работает в режиме автосогласования, а другая сторона - нет, только одна сторона отправляет импульс быстрого соединения. Другая сторона установила конкретную скорость и дуплексный режим, чтобы она не согласовывалась с партнером. Он был принудительно установлен, поэтому он больше не будет думать о том, как он работает на стороне соединения.
Поскольку принудительно установленный сайт не будет сообщать обсуждаемому сайту свою собственную скорость и однодуплексный режим, сайт с автоматическим согласованием должен выбрать соответствующую скорость и однодуплексный режим для сопоставления одноранговому узлу, который называется параллельным обнаружением. Участок согласования может определить скорость передачи данных, прослушивая импульс связи с противоположного конца. Ethernet 10, 100 и 1000 Мбит / с используют разные методы сигнала, поэтому узел согласования может распознавать рабочую скорость однорангового узла.
Впрочем, дуплекс это другое дело. Поскольку принудительно настроенный сайт не выполняет согласование, сайт согласования не может узнать, в каком дуплексном режиме работает принудительно настроенный сайт. Чтобы избежать полного полудуплексного несоответствия, согласованный сайт должен использовать ту же скорость, что и принудительный сайт в соответствии со стандартом 802.3, но он работает в полудуплексном режиме. Независимо от скорости (кроме 10Gig) полудуплекс является методом по умолчанию для Ethernet. Во многих случаях это создает проблему несовпадения полудуплексного режима.
Для достижения полного дуплекса на обоих концах либо два конца автоматически согласовываются, либо оба конца принудительно устанавливаются.
Будьте уверены, чтобы не вести автосогласование на одном конце, а навязать его на другом. Это приведет к несоответствию дуплекса. Рекомендуется оставить оба конца установленными в автосогласовании, чтобы уменьшить человеческую ошибку.
Как я могу узнать проблему полного полудуплексного несоответствия?
Несоответствие дуплексных режимов приведет к конфликтам в ссылке, поскольку один конец может отправлять и получать одновременно, а другой - нет. Полудуплексные сайты не могут хорошо работать с полудуплексными сайтами. Там будет конфликт на стороне полудуплексного сайта. Повторная передача затронутых портов, низкая пропускная способность и большое количество ошибок повредят производительность канала. При просмотре с помощью OptiView от Fluke Networks на порту коммутатора отображается ошибка.
В прошлой публикации мы рассказали о том, как работают шины и протоколы в промышленной автоматизации. В этот раз сфокусируемся на современных рабочих решениях: посмотрим, какие протоколы используются в системах по всему миру. Рассмотрим технологии немецких компаний Beckhoff и Siemens, австрийской B&R, американской Rockwell Automation и русской Fastwel. А также изучим универсальные решения, которые не привязаны к конкретному производителю, такие как EtherCAT и CAN.
В конце статьи будет сравнительная таблица с характеристиками протоколов EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP и ModbusTCP.
Мы не включали в обзор протоколы PRP, HSR, OPC UA и другие, т.к. по ним на Хабре уже есть отличные статьи наших коллег-инженеров, которые занимаются разработкой систем промавтоматики. Например, «Протоколы «бесшовного» резервирования PRP и HSR» и «Шлюзы промышленных протоколов обмена на Linux. Собери сам».
Для начала определим терминологию: Industrial Ethernet = промышленная сеть, Fieldbus = полевая шина. В российской промышленной автоматике случается путаница в терминах, касающихся полевой шины и промышленной сети нижнего уровня. Часто эти термины объединяются в единое расплывчатое понятие «нижний уровень», который именуется и полевой шиной, и шиной нижнего уровня, хотя это может быть и не шина вовсе.
Такая путаница, скорее всего связана с тем, что во многих современных контроллерах соединение модулей ввода-вывода часто реализуется с помощью объединительной панели (англ. backplane) или физической шины. То есть используются некие шинные контакты и соединители, чтобы объединить несколько модулей в единый узел. Но такие узлы, в свою очередь, могут быть соединены между собой как промышленной сетью, так и полевой шиной. В западной терминологии есть четкое разделение: сеть — это сеть, шина — это шина. Первое обозначается термином Industrial Ethernet, второе — Fieldbus. В статье для этих понятий предлагается использоваться термин «промышленная сеть» и термин «полевая шина» соответственно.
Стандарт промышленной сети EtherCAT, разработка компании Beckhoff
Протокол и промышленная сеть EtherCAT — это, пожалуй, один из самых быстродействующих на сегодня способов передачи данных в системах автоматики. Сеть EtherCAT успешно используется в распределенных системах автоматизации, где взаимодействующие узлы разнесены на большое расстояние.
Протокол EtherCAT использует стандартные Ethernet-фреймы для передачи своих телеграмм, поэтому сохраняется совместимость с любым стандартным Ethernet-оборудованием и, по сути, прием и передача данных могут быть организованы на любом Ethernet-контроллере, при наличии соответствующего программного обеспечения.
Спецификация протокола открыта и доступна, но только в рамках ассоциации разработки — EtherCAT Technology Group.
Вот, как работает EtherCAT (зрелище завораживает, как игра Zuma Inca):
Высокая скорость обмена в этом протоколе —а речь может идти о единицах микросекунд— реализована благодаря тому, что разработчики отказались от обмена с помощью телеграмм, посылаемых непосредственно конкретному устройству. Вместо этого в сеть EtherCAT направляется одна телеграмма, адресованная всем устройствам одновременно, каждый из подчиненных узлов сбора и передачи информации (их еще часто называют УСО — устройство связи с объектом) забирает из нее «на лету» те данные, которые предназначались ему, и вставляет в телеграмму данные, который он готов предоставить для обмена. После этого телеграмма отправляется следующему подчиненному узлу, где происходит та же операция. Пройдя все УСО, телеграмма возвращается главному контроллеру, который на основе полученных от подчиненных устройств данных, реализует логику управления, опять же взаимодействуя посредством телеграммы с подчиненными узлами, которые выдают управляющий сигнал на оборудование.
Сеть EtherCAT может иметь любую топологию, но по сути это всегда будет кольцо — из-за использования полнодуплексного режима и двух разъемов Ethernet. Таким образом, телеграмма всегда будет передаваться последовательно каждому устройству на шине.
Кстати, спецификация EtherCAT не содержит ограничений физического уровня 100Base-TX, поэтому реализация протокола возможна на основе гигабитных и оптических линий.
Рекомендуемые измерительные приборы
Выше на этой странице приводился перечень измерений, которые необходимо выполнять при вводе в эксплуатацию и обслуживании сетей 40G, 100G и более скоростных. В этом разделе мы приводим конкретные модели приборов, которые предназначены для проведения требуемых измерений и тестов.
Перечень рекомендуемых приборов и оборудования:
- проверка качества оптических коннекторов: EXFO FIP-400B;
- рефлектометрия оптических волокон: EXFO FTB-700C или EXFO FTBx-700C;
- измерение вносимых потерь и обратного отражения: EXFO FTB-3930;
- измерение хроматической дисперсии и ПМД: EXFO FTB-5700;
- измерение параметров оптического спектра: EXFO FTBx-52x5 или EXFO FTB-5235;
- анализ протоколов: EXFO FTB-1 Pro или EXFO FTB-2 Pro.
Реализация протокола FBUS в компании Fastwel
Долго думали, включать ли в этот список российскую компанию Fastwel с ее отечественной реализацией промышленного протокола FBUS, но потом все же решились написать пару абзацев для лучшего понимания реалий импортозамещения.
Существует две физические реализации FBUS. Одна из них — это шина, в которой протокол FBUS работает поверх стандарта RS485. Кроме этого есть реализация FBUS в промышленной сети Ethernet.
FBUS сложно назвать быстродействующим протоколом, время ответа сильно зависит от количества модулей ввода-вывода на шине и от параметров обмена, обычно оно колеблется в пределах 0,5—10 миллисекунд. Один подчиненный узел FBUS может содержать только 64 модуля ввода-вывода. Для полевой шины длина кабеля не может превышать 1 метр, поэтому о распределенных системах речь не идет. Вернее идет, но только при использовании промышленной сети FBUS поверх TCP/IP, что означает увеличение времени опроса в несколько раз. Для подключения модулей могут использоваться удлинители шины, что позволяет удобно расположить модули в шкафу автоматики.
Контроллер Fastwel с подключенными модулями ввода-вывода. Источник: Control Engineering Россия
Сети 400G
Технология плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM) значительно увеличила пропускную способность оптического волокна. Опираясь на этот метод, один оптоволоконный канал может передавать данные со скоростью 400 Гбит / с или более. Поскольку прочность любой цепи (или быстрота, как в нашем случае) определяется по ее самому слабому соединению, то разработки в области 400G Ethernet сейчас направлены на устранение разрыва в скорости между корневым маршрутизатором и оборудованием DWDM. Интерфейс 400G Ethernet позволяет использовать весь потенциал сетевых устройств и достичь необходимой плотности размещения портов, чтобы обеспечить постоянное и бесперебойное функционирование сети передачи данных с максимально возможной пропускной способностью. Современные коммутаторы ASSP, такие как семейство Broadcom Tomahawk, могут обеспечить пропускную способность более 12 Тбит / с на одной микросхеме. Интерфейс 400G Ethernet является хорошим вариантом для достижения соответствия между этой огромной пропускной способностью и необходимой характеристикой плотности пропускной способности на передней панели.
Итого: как всё это используется на практике в АСУ ТП
Естественно, видовое разнообразие современных промышленных протоколов передачи данных намного больше, чем мы описали в этой статье. Некоторые привязаны к конкретному производителю, некоторые, напротив, универсальны. При разработке автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП) инженер выбирает оптимальные протоколы, с учетом конкретных задач и ограничений (технических и по бюджету).
Если говорить о распространенности того или иного протокола обмена, то можно привести диаграмму компании HMS Networks AB, которая иллюстрирует доли рынка различных технологий обмена в промышленных сетях.
Источник: HMS Networks AB
Как видно на диаграмме, PRONET и PROFIBUS от Siemens занимают лидирующие позиции.
В таблице ниже собраны сводные данные по описанным протоколам обмена. Некоторые параметры, например, производительность выражены абстрактными терминами: высокая /низкая. Числовые эквиваленты можно отыскать в статьях по анализу производительности.
400G Ethernet — это новейший стандарт для высокоскоростных оптических интерфейсов. Первоначально известный как IEEE 802.3bs, 400 Gigabit Ethernet был официально утвержден в декабре 2017 года и является частью более широкого семейства технологий, таких как 200G, а также следующего поколения 100G и 50G Ethernet.
Появление технологии 400G способствовало быстрой разработке и внедрению новых компактных оптических модулей и коммутаторов. Иногда называемый 400GE или 400G Ethernet, новый стандарт поддерживает многочисленные технические инновации, такие как, например, обязательное использование технологии кодирования прямой коррекции ошибок (Forward Error Correction, FEC), позволяющей, в том числе, повысить производительность и снизить энергопотребления. Первые тестовые испытания сетей 400G были успешно завершены, и появление первых коммерческих развертываний ожидается уже в 2019 году.
100G и дальше
Совместимость между 100G и 400G поможет упростить тестирование новых решений и обновление существующих, а также станет благоприятным фактором для стимулирования бизнеса. Первые решения 100G Ethernet были представлены еще в 2010 году, но до 2016 года этот рынок рос медленными темпами.
Появление промышленного стандарта QSFP28, приведшего к появлению четырехканальных модульных компактных сетевых трансиверов малого форм-фактора, поддерживающих возможность «горячего» подключения и отключения, а также осуществляющего передачу до 28G для одного оптического канала, сыграло важную роль в том, что к 2017 году технология 100G стала мейнстримом. Прогресс в разработке подключаемых оптических компонентов, который постепенно двигает вперед технологию 100G, безусловно окажет заметный эффект на развитие 400G Ethernet.
Снижение затрат и усовершенствование конструкции для модулей 100G позволило использовать обратно совместимую технологию, такую как QSFP-DD, с ориентацией уже на технологию 400G, что привело к появлению нового типа модуля, аналогичного стандартному QSFP+, но с дополнительным рядом контактов, позволяющих удвоить количество электрических интерфейсов до восьми полос.
CFP8 — другой форм-фактор для оптических трансиверов последнего поколения, который позволяет передавать данные со скоростью до 6,4 Тбит / с для 1 RU системной карты хоста и поддерживает удвоенную плотность портов по сравнению с 100G QSFP28.
Передовые разработки для 400G, включая модуляцию PAM4 и технологию кодирования KP4 FEC, могут быть также использованы для увеличения плотности и снижения затрат на применение решений 100GE. Аналитики ожидают, что по мере развития этих технологий, предлагаемые на рыке продукты 100G начнут в полной мере использовать улучшения, порожденные разработкой 400 Gbit.
Как тестирование сети 400G Ethernet?
До появления 100G Ethernet тестирование оптоволоконных линий было гораздо более простой задачей, чем в наши дни. Показатель интенсивности битовых ошибок (Bit Error Rate, BER), который оценивал вероятность получить искажение для каждого передаваемого бита данных, мог быть определен для каждого канала, а в паре с ожиданием появления «нулевых» ошибок в течение заранее определенного периода времени эти параметры часто использовались в качестве критерия успешной / неуспешной передачи данных. Но поскольку методология кодирования без возврата к нулю (Non Return to Zero, NRZ) уступает место модуляции PAM-4 и технике кодирования / декодирования FEC, тестирование и оценка 400G становятся намного сложнее. Да и увеличение пропускной способности само по себе подняло на новую высоту планку сложности вопрос тестирования новых современных решений и сетей.
FlexO
Стандарт ITU-T для оптических транспортных сетей (Optical Transport Networks, OTN) предоставляет рекомендуемые интерфейсы и линейные характеристики для элементов оптических сетей, соединенных через волоконно-оптические каналы.
Стандарт OTN B100G является расширением стандарта OTN для скоростей передачи данных свыше 100 Гбит / с. Однако, вместо того, чтобы разрабатывать новые или отличающиеся спецификации для аналогичных типов каналов, подразделение ITU-T использовало завершенную спецификацию IEEE 802.3 для определения того, как подобные подключаемые модули должны использоваться на интерфейсах OTN. Этот гибкий протокол обычно известен как «FlexO».
Измерения, проводимые при вводе в эксплуатацию и обслуживании сетей 40G, 100G, 200G и 400G
Перед запуском и в процессе эксплуатации сетей со скоростью 40 Гбит/с и выше, необходимо выполнять комплекс измерений и тестов. Каждый вид измерения проверяет отдельные части сетевой инфраструктуры на соответствие стандартам и спецификациям и позволяет своевременно выявить и заменить дефектные компоненты.
Перед запуском в эксплуатацию необходимо:
- проверить качество коннекторов с помощью оптического микроскопа;
- выполнить рефлектометрию отдельных волокон с помощью рефлектометра;
- измерить вносимые потери волокон с помощью рефлектометра или оптических тестеров;
- измерить обратное отражение волокон с помощью рефлектометра или оптических тестеров;
- измерить хроматическую дисперсию с помощью анализатора ХД и если необходимо, выполнить компенсацию;
- измерить поляризационную модовую дисперсию с помощью анализатора ПМД;
- измерить спектральные параметры и отношение сигнал/шум с помощью анализатора оптического спектра;
- выполнить набор необходимых тестов с помощью анализатора протоколов телекоммуникаций.
В процессе эксплуатации необходимо:
- выполнять набор стандартных тестов с помощью анализатора протоколов телекоммуникаций
- измерять спектральные параметры и отношение сигнал/шум с помощью анализатора оптического спектра.
Как вы видите, в процессе эксплуатации работающей сети основными средствами диагностики являются: анализатор протоколов и анализатор оптического спектра. Грамотное применение этих двух приборов способно на ранней стадии выявить ненадёжные компоненты, что позволяет в плановом режиме выполнить их замену. Ниже на этой странице мы кратко рассмотрим их основные возможности.
Однако, если причину неисправности или ухудшения качества сети не удаётся определить с помощью анализатора протоколов и анализатора спектра, то необходимо использовать дополнительные приборы: рефлектометр, измеритель дисперсии, микроскоп.
Подробная инструкция по тестированию скоростных сетей приводится на страницах 82 - 133 этого документа:
Кому стоит задуматься о переходе на 400G?
Эффективность, которую можно получить благодаря внедрению 400G, окажет заметное влияние на всю экосистему высокоскоростных сетей, включая производителей чипов, модулей и тестового оборудования, а также сервис-провайдеров, Интернет-корпорации и поставщиков телекоммуникационных услуг, которые ждут этих улучшений и надеются, что они дадут новый толчок их бизнесу.
Компании из сегмента Web 2.0, предоставляющие облачные сервисы, рассчитывают на 400G, как на эффективное средство по увеличению плотности своих быстро растущих центров обработки данных. Поставщики телекоммуникационных услуг, в свою очередь, не должны будут отставать от своих клиентов с внедрением ультрасовременных каналов связи для их огромных центров обработки данных. Эти крупные игроки в настоящее время являются основной движущей силой, требующей скорейшего развития 400G. Разработчики оптических модулей получат свою выгоду от этого спроса на более универсальные и компактные продукты.
Изменения в отрасли, которые неизменно принесет с собой технология 400G, могут оказаться практически незаметными для конечного пользователя, но появление 400G позволит современным сетям соответствовать растущим ожиданиям сверхвысокой скорости и бесперебойной производительности. Потоковое видео, виртуальные игры и Интернет вещей (Internet of Things, IoT) — это лишь некоторые из приложений, которые выиграют от появления и широкого применения сетевого стандарта 400GE.
Протокол Ethernet/IP компании Rockwell Automation
Протокол EtherNet/IP разработан при активном участии американской компании Rockwell Automation в 2000 году. Он использует стек TCP и UDP IP, и расширяет его для применения в промышленной автоматизации. Вторая часть названия, вопреки расхожему мнению, означает не Internet Protocol, а Industrial Protocol. UDP IP использует коммуникационный стек протокола CIP (Common Interface Protocol), который также используется в сетях ControlNet / DeviceNet и реализуется поверх TCP/IP.
Спецификация EtherNet/IP является общедоступной и распространяется бесплатно. Топология сети Ethernet/IP может быть произвольной и включать в себя кольцо, звезду, дерево или шину.
Для синхронизации времени в распределенных системах EtherNet/IP использует протокол CIPsync, который является расширением коммуникационного протокола CIP.
Для упрощения настройки сети EtherNet/IP большинство стандартных устройств автоматики имеют в комплекте заранее определенные конфигурационные файлы.
Обзор технологий от 40G до 400G
На рисунке ниже показана дорожная карта (по данным Ethernet Alliance) увеличения скорости передачи Ethernet от 10 Мбит/с в начале восьмидесятых до внедряемых в настоящее время 400 Гбит/с. Жёлтыми кругами обозначены стандартизированные скорости, серыми кругами обозначены скорости, тестируемые в данный момент в пилотных проектах (800 Гбит/с и 1,6 Тбит/с).
Дорожная карта увеличения скорости Ethernet от 10 Мбит/с до 1,6 Тбит/с.
При разработке и внедрении скорости 40G рынок столкнулся с парадоксальной ситуацией, когда разными производителями одновременно было выпущено несколько отличающихся реализаций, включая несовместимые между собой виды модуляций оптического сигнала: NRZ, RZ, DPSK и DQPSK. Чтобы избежать подобного сценария при внедрении 100G, и учитывая что инвестиции в разработку этой технологии очень значительны, Форум Оптических Межсетевых соединений (Optical Internetworking Forum - OIF) опубликовал группу документов, стандартизирующих её ключевые аспекты.
Учитывая количество уже работающих реализаций 10G и 40G, было решено, что технология 100G должна функционировать в тех же физических каналах, что и более медленные стандарты. Кроме того, существующие сети уже имели большое количество установленных реконфигурируемых оптических мультиплексоров ввода-вывода (ROADM), а также повсеместно использовалось разнесение оптических каналов на 50 ГГц в системах DWDM. Поэтому было решено сохранить совместимость 100G также и с этими технологиями.
В результате в качестве основного вида модуляции оптического сигнала была рекомендована модуляция NRZ-DP-QPSK, способная обеспечить до 112 Гбит/с по одному оптическому каналу, шириной 50 ГГц. Скорость 112 Гбит/с достаточна для того, чтобы трафик 100G Ethernet передавался с помощью оптической транспортной сети (OTN), которая в данный момент является самой эффективной технологией реализации опорной сети. На рисунке ниже показано как трафик 40G и 100G внедряется в структуру кадра OTU и далее разбивается на уровне OTL на несколько длин волн для физической передачи по оптоволокну.
Внедрение трафика 40G и 100G в структуру кадра OTU и разбивка на несколько длин волн.
Стандартом IEEE 802.3ba предусматривается передача потока 100G Ethernet по одномодовому волокну на четырёх длинах волн (по 25G на каждой). Если в качестве среды передачи используется многомодовое волокно, то разбивка потока 100G Ethernet выполняется на четыре отдельных волокна (по 25G в каждом). В случае если трафик 100G Ethernet передаётся по оптической транспортной сети OTN, то он также разбивается на четыре длины волны (но уже по 28G - увеличение необходимо для работы OTN). При этом протокол OTN может обеспечивать автоматическое определение и коррекцию ошибок (FEC).
На этом рисунке показано внутреннее устройство преобразователя CFP4 с коннектором LC, который используется для передачи 100G по одномодовому волокну, а также преобразователя QSFP28 с коннектором MPO-12, который используется для передачи 100G по группе многомодовых волокон.
Внутреннее устройство преобразователей CFP4 и QSFP28, используемых для передачи 100G.
Спецификации для скоростей 200G и 400G описаны в стандарте IEEE 802.3bs. Ключевыми отличиями от 100G являются: изменённые требования к физическому уровню и обязательное использование алгоритма коррекции ошибок FEC. В качестве приёмопередатчика стандартизирован модуль CFP8, с дальностью передачи по одномодовому волокну до 10 км. Модуль CFP8 может использовать два вида модуляции оптического сигнала (NRZ или PAM-4) и три варианта разбиения скорости по длинам волн или отдельным волокнам: 16 х 25 Гбит/с, 8 х 50 Гбит/с или 4 х 100 Гбит/с. Структурная схема и внешний вид модуля CFP8 показаны на этом рисунке.
Структурная схема и внешний вид модуля CFP8, используемого для передачи 400G.
Это был краткий обзор развития технологий передачи данных со скоростями от 40G до 400G. Полный текст обзора смотрите на страницах 2 - 15 этого документа:
Читайте также: