如何实现以太网无缝传输？以太网物理层设备的考量与Ethernet-APL

以太网，一个我们时常提到的概念。虽然我们已经在对以太网的了解与应用上已经取得了很大的进步，但以太网在实际使用中仍然经常遇到不少挑战，有可能是功率的挑战、带宽的挑战、也有可能是布线的挑战、通信距离的挑战，还有可能是危险工况的挑战等等。
 
通过以太网物理层设备能够解决一些困难，以太网PHY作为一种物理层收发器器件，根据OSI网络模式收发以太网帧。在OSI模式中，以太网覆盖物理层和数据链路层的一部分，并由IEEE 802.3标准定义。物理层指定电信号类型、信号速度、介质和连接器类型以及网络拓扑，实施1000 Mbps的1000BASE-T、100 Mbps的100BASE-TX和10 Mbps的10BASE-T以太网标准。
 
PHY的关键因素考量
 
功耗问题肯定是首当其冲的，以太网物理层的功耗对系统的总功耗有着重大影响，采用低功耗物理层设备能够为系统中的FPGA/MCU/处理器预留提供更多的可用功耗。就单个设备而言，它整体的功耗预算在选用PHY之前就已经确定了，一般不会留给物理层太多的功耗预算，加之线路和环形拓扑需要两个端口和两个PHY，数据输入和输出的功耗要按翻倍来算，功耗不低根本不足以满足整个设备的连接要求。

 

 
（低功耗以太网PHY，Broadcom）

 
第二处考量则和延迟与同步相关。网络周期时间是控制器收集和更新所有器件的数据存储器所需的通信时间，低延迟PHY能大大减少网络周期时间，从而缩短网络刷新时间，单个周期内将允许更多器件连接到网络。在带宽满足数据吞吐量的前提下，降低延迟是完成同步最有效的办法。带宽已经满足了吞吐量的要求，再一味拔高带宽对延迟反而会有副作用。当然，具体的延迟会根据协议不同略有差异。
 
最后一点是老生常谈的稳健性，PHY需要在恶劣的工作环境下，能够承受外部辐射和传导噪声源。稳健可靠的PHY需要应对浪涌、快速瞬变脉冲、ESD、射频场感应传导干扰等等风险。
 
在这三点考量之外，其实数据速率的可拓展性对于PHY也很重要，现场级连接采用100 Mbps PHY中运行工业以太网协议的以太网连接，PLC和运动控制器之间的连接需要高带宽的千兆（1000BASE-T）TSN以太网连接，采用支持不同协议数据速率的PHY将让整个系统拓展性大增。
 
Ethernet-APL标准带来的数据速率可拓展性突破
 
数据速率的可拓展性与Ethernet-APL有着直接关系。Ethernet-APL，以太网高级物理层，严格来说是基于单对以太网（SPE）的增强物理层，按照新的10BASE-T1L（IEEE802.3cg-2019）以太网物理层标准，将以太网设备的进展推动了一大步。Ethernet-APL作为以太网的逻辑扩展，能够支持EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他更高级别的协议。
 

 
（以太网APL设备通信模块，Softing）

 
远距离的单对以太网10BASE-T1L物理层设备可以将以太网连接延伸至远程位置的边缘节点，该技术支持传送新的数据流、额外的过程变量和辅助测量数据。Ethernet-APL能够将现场设备直接连接到更高级别的系统，从而首次实现跨所有流程管理的统一通信基础设施。要与支持以太网APL的设备进行通信，需要具有集成介质访问控制的主机处理器或具有10BASE-T1L端口的以太网设备。
 

 
（10BASE-T1L 以太网PHY，ADI）

 
如上图，该器件集成以太网PHY内核以及所有相关的模拟电路、输入和输出时钟缓冲、管理接口控制寄存器和子系统寄存器以及MAC接口和控制逻辑，用以支持Ethernet-APL过程自动化带来长距离、稳健的10BASE-T1L以太网连接。
 
Ethernet-APL直接加快了跨行业的IT/OT网络融合，借助以太网物理层设备，下游应用可以在集成了Ethernet-APL的设备上自由实施多种协议，大大提高数据速率的可拓展性。
 
小结
 
在终端节点数量加速增长的背景下，为了实现以太网的无缝传输，如何在以太网物理层PHY上解决功耗、延迟以及数据可拓展性问题至关重要。在Ethernet-APL的加持下，这些物理层设备有望彻底解决以太网在实际使用中遇到的各种挑战。