Ethernet умер? Да здравствует Ethernet!

Технология Ethernet, разработанная еще в прошлом веке, продолжает оставаться наиболее популярным интерфейсом, в том числе и для самых современных устройств. О том, как ей это удается, расскажем в настоящей статье.

С момента появления в начале 80-х гг., во многом благодаря хорошо описанным стандартам (первый IEEE802.3 датируется 1983 г.), Ethernet стал доминирующим коммуникационным интерфейсом как в бытовых, так и в промышленных приложениях. Наиболее популярные протоколы обмена – TCP/IP и UDP. В промышленности на физической медиа Ethernet базируются EtherCAT, Ethernet/IP, ProfiNetDP, Sercus и другие частные решения для обмена данными в реальном времени между промышленными контроллерами. Важно отметить, что с точки зрения электричества Ethernet изначально хорошо приспособлен для работы в условиях промышленных помех.

Сегодня Ethernet самый популярный интерфейс, в том числе и в цифровых системах видеонаблюдения и камерах машинного зрения. Популярность вылилась в широчайший выбор совместимых устройств, огромную инфраструктуру и сотни тысяч километров проложенных кабелей.

Новые решения требуют совершенно других скоростей

Начинал Ethernet с 10 Мбит/с. Казавшаяся высокой на заре 80-х скорость FastEthernet в 100 Мбит/с сегодня является фактическим стандартом в системах видеонаблюдения для передачи сжатого видеоизображения. Но для доставки изображения с хорошим разрешением, без потери данных при сжатии этого уже мало. С начала 2000-х свое триумфальное шествие по миру начала инфраструктура 1000 Мбит, или GigE (Gigabit Ethernet 1000BASE-T – стандарт 1999 г.). Его пропускной способности достаточно для передачи 50 FullHD-кадров 2 Мпкс без сжатия. Этой скорости и сегодня хватает для большинства типовых задач. Однако уже 20 лет тому назад производители камер машинного зрения озаботились более скоростными частными решениями.

Так появился CameraLink, чуть позже CoaXPress, предлагающие существенно большие скорости передачи данных, чем GigE. Однако оба варианта требуют специализированных устройств, фреймграберов, для ввода данных в компьютер и несовместимы ни с какими другими общепринятыми коммуникационными решениями. Это обстоятельство стало существенным фактором, сдерживающим их распространение. Тем не менее целое десятилетие CameraLink был едва ли не единственным выбором для систем со скоростями передачи данных в несколько гигабит. Несколько лет назад отличной альтернативой CameraLink стала реинкарнация USB в его третьем поколении. Несмотря на преемственность названия, с технической точки зрения USB3 – принципиально иное, более продвинутое техническое решение, чем USB2, единственным достоинством которого была, пожалуй, невысокая цена. Скорость обмена USB3 вдвое ниже, чем у классического FullSpeed CameraLink. Но благодаря невысокой стоимости и широкой поддержке производителей компьютеров, уставших мириться с ограничениями USB2, "новый" USB быстро отобрал у CameraLink львиную долю рынка высокоскоростных приложений машинного зрения. Индустрия поддержала новый интерфейс стандартом USB3 Vision – аналогом представленного в 2006 г. объединением игроков индустрии машинного зрения Automated Imaging Association (AIA) стандарта GigE Vision, который сильно упростил задачу программной интеграции камер различных производителей. Но "бороться" с Gigabit Ethernet, с его длиной кабеля более 100 м и огромной сетевой инфраструктурой, CameraLink и во многом заместившим его USB3 с ограничением длины кабеля в 5, максимум в 8 м, трудно. Кроме того, все упомянутые интерфейсы – это взаимодействие типа "точка-точка", а не общая информационная "шина в кабеле", обслуживающая много абонентов, коей является Ethernet. Тем не менее возросшие вычислительные возможности диктуют необходимость появления высокоскоростных коммуникационных интерфейсов для передачи изображений с лучшим разрешением и скоростью. Такие интерфейсы появляются и находят своего пользователя, несмотря на очевидные ограничения.

Распределение проложенных в мире кабелей Ethernet по категориям. Более 60% существующих линий готовы к работе с устройствами 5GigE и 10GigE

Ethernet ускоряется

А что же адепты Ethernet? Спокойно почивают на лаврах (количество камер на базе "классического" GigE неуклонно растет и сейчас) и наблюдают, как их оттесняют конкурирующие интерфейсы? Конечно же нет. Первая версия стандарта Ethernet 10 Гбит/с была представлена еще в 2002 г., но только в 2006-м появилась "рабочая" версия 10GBASE-T для витой пары. В 2007 г. было продано более миллиона портов 10GBASE-T, в 2008-м – уже два миллиона. Распространение "ускоренной" до 10 Гбит версии Ethernet с того времени неумолимо продолжается. Но и разработчиков, и пользователей огорчает тот факт, что снижение стоимости по мере распространения новой технологии идет не очень быстро.

Высокая цена ограничивает применение 10GBASE-T высокопроизводительными системами и серверными приложениями. Очевидно, скачок был слишком большим: технология опередила свое время более чем на десятилетие. В результате в 2016 г. появляется компромиссное решение, не столь быстрое, но существенно более бюджетное – IEEE802.3bz для передачи по витой паре на скоростях в 2,5 и 5 Гбит/с, 2.5GBASE-T и 5GBASE-T. Мир Ethernet каждый год прирастает заметным количеством стандартов для различных физических медиа и прикладных задач на скоростях до 100 Гбит. Последнее достижение IEEE802.3ch – спецификация физического уровня для Ethernet в автомобиле (10GBASE-T1, одна пара проводов до 15 м). Да-да, не удивляйтесь. Как минимум устройства развлечений, Еntertainment, будут в вашем новом автомобиле общаться по Ethernet.

Появление в 2016 г. компромиссного стандарта Ethernet для скоростей 2,5 Гбит/с и 5 Гбит/с стало реакцией на высокую стоимость портов 10 Гбит, сдерживающую распространение новинки

Не коммуникацией единой

Помимо чисто коммуникационных функций современный Ethernet умеет многое. Для передачи питания по тем же проводам – Power Over Ethernet (PoE) – разработаны несколько стандартов. Широко используются сегодня IEEE802.3af Type1 – 15,4 Вт и IEEE802.3at Type2 – 30 Вт. Питание PoE можно найти у большого количества сетевых коммутаторов и практически во всех камерах машинного зрения на базе Ethernet и камерах видеонаблюдения.

Часто в реальных приложениях возникает необходимость синхронизировать работу нескольких, иногда десятков, камер, разнесенных на сотни метров, например, чтобы охватить футбольное поле или перекресток. Тут на помощь приходит Precise Time Protocol (PTP), описанный в стандарте IEEE1588 и получивший развитие в группе стандартов IEEE802.1 для так называемых TSN – Time Sensitive Network. Не вдаваясь в детали, скажем, что эти технологии позволяют синхронизировать через обычный Ethernet собственные часы устройств с точностью до нескольких микросекунд, то есть камеры, разнесенные на сотни метров, могут осуществлять захват изображений практически одновременно.

Разнообразие возможностей и скоростей

Современная камера машинного зрения на основе Ethernet – это комбинация самой современной электроники и программного обеспечения: широкий выбор матриц с богатой функциональностью для разных рынков – бюджетные, скоростные, высокочувствительные и пр., мощные ПЛИСы (FPGA) для предварительной обработки изображений, преобразований форматов и, конечно же, разные скорости обмена. Прекрасный пример – портфолио канадской компании LUCID, он содержит набор промышленных камер машинного зрения, работающих на разных скоростях Ethernet, основная линейка – LUCID Triton.

Это классический GigE, компактный защищенный промышленный конструктив IP67, рабочий диапазон температур от минус 20 °C, вибро-ударопрочность в сочетании с сенсорами Sony Pregius трех последних поколений, разрешением от 0,4 до 31,4 Мпкс. "Старший брат" – линейка LUCID Atlas – благодаря 5GBASE-T Ethernet имеет в 1,5 раза более высокую скорость передачи, чем USB3 (более 500 Мбит/с против 350 Мбит/с) на дистанции до 100 м по обычному кабелю Ethernet 6-й категории. Это позволяет существенно поднять скорость передачи сенсоров со средним и высоким разрешением: 173 кадра 2,8 Мпкс в секунду для камеры на базе Sony IMX421 с акцентом на высокое качество изображения без сжатия. И наконец, на вершине – LUCID Atlas 10G: непревзойденная скорость и сенсоры последнего поколения Sony с поддержкой HDR непосредственно на матрице и технологией BSI (Back Side Illumination). Например, модель на базе матрицы IMX537 (Pregius-S, BSI) способна передавать более 200 кадров в секунду отличного качества разрешением 5 Мпкс. Важно отметить, что все камеры LUCID Atlas на базе 5GBASE-T и Atlas10-10GBASE-T Ethernet отлично работают на меньших скоростях на линиях 1 GigE, 2,5 и 5 GigE.

Ethernet позволяет объединять в распределенных сетевых архитектурах большое количество совместимых устройств, разнесенных на десятки и сотни метров

В конкурентной борьбе Ethernet становится сильней

Таким образом, можно констатировать, что в борьбе с новыми именами Ethernet сохраняет свои позиции лидера за счет постоянного развития и идет в ногу со временем. Если не удаются сразу слишком большие технологические прорывы (10 GigE), то, подстраиваясь под требования рынка, Ethernet ищет компромиссы (2,5 и 5 GigE), оставаясь при этом универсальным и, пожалуй, самым популярным коммуникационным интерфейсом на нашей планете. Ethernet 10 Мбит умер. Да здравствует Ethernet 10 Гбит!

Иллюстрации предоставлены автором
Иллюстрация к статье сгенерирована нейросетью Kandinsky 

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" №5/2021