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802.3cg : les objets connectés ont désormais leur réseau Ethernet

Cet Ethernet ne communique qu’en 10 Mbit/s, mais il permet aux équipements de s’échanger des informations via des câbles très fins, qui passent partout et courent sur 1 km.

Bien que le développement récent d'Ethernet se soit concentré sur les débits de données extrêmement élevés, toutes les applications ne nécessitent pas de communiquer jusqu'à 400 Gbit/s. Pour certaines, dont l’IoT en général et l'industrie ou l'automobile en particulier, 10 Mbit/s est une vitesse amplement suffisante. Ce qui importe bien plus ici, en revanche, c’est qu’un câble pèse peu, qu’il soit assez fin pour passer au travers d’interstices, qu’il aille loin et qu’il coûte peu cher. 

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Plusieurs technologies prenaient déjà en considération ces facteurs. Citons le réseau CAN (Controller Area Network). Conçu principalement pour les applications automobiles, celui-ci repose sur une technologie multipoint qui transporte des messages le long d'un fil partagé pour actionner des clignotants, des serrures de portes et autres dispositifs plutôt simples. Le CAN supporte un débit de données maximum d'environ 1 Mbit/s, ce qui est suffisant dans les applications pour lesquelles il a été conçu, mais pas pour les caméras de détection sur les chaînes de montage ou les radars à présent installés dans les voitures.

Les câbles Ethernet conventionnels à quatre paires prennent en charge ces exigences de débit, mais ils sont plus lourds et plus épais. De plus, la limite actuelle de 100 mètres de portée n'est pas adaptée aux installations en usine.

Étendre la longueur et diminuer le poids des câbles Ethernet

Conscient de l'évolution des besoins, l'IEEE a commencé à plancher dès 2017 sur l'IEEE 802.3cg, une norme Ethernet où une seule paire pourrait transporter jusqu’à 10 Mbit/s de débit. L'avantage d'une paire torsadée unique par rapport à un câble à quatre paires est qu'une seule paire est quatre fois moins lourde, occupe un quart de l'espace et est moins chère que quatre paires.

La norme IEEE 802.3cg a été publiée en novembre 2019. Actuellement, peu de types d'équipements ont été modifiés avec des connecteurs à paire unique, mais en raison des avantages en termes de coût, de poids et d'espace, des équipements compatibles apparaîtront probablement bientôt.

Les objectifs du standard IEEE 802.3cg étaient de définir ce qui suit :

- une norme dite « de courte distance » pour des communications point à point et multipoint sur une longueur maximale de 25 mètres. Il s’agit du sous-standard 10Base-T1S. Son intérêt principal est la finesse des câbles, car il devient possible de les faire passer dans des infrastructures non prévues pour, comme la structure d’un véhicule par exemple.

- une norme dite de « longue distance » pour des communications uniquement point à point sur des longueurs pouvant grimper jusqu'à 1 000 mètres. Il s’agit du sous-standard 10Base-T1L. Son intérêt est de pouvoir relier deux équipements installés chacun à une extrémité d’un site de production avec simplement un câble.

Parmi les autres objectifs de la norme 802.3cg figurait le respect des normes Ethernet existantes : on conserve le même format de paquet, les mêmes limites de températures, les mêmes normes d'émission. Et l’on reprend le support de l'auto-négociation entre deux points, tout comme celui de l'alimentation par Ethernet (PoE).

Assurer cette compatibilité avec le reste des réseaux Ethernet a pour but de simplifier l’interconnexion entre les réseaux industriels et les réseaux d'entreprise.

10Base-T1L et 10Base-T1S

L'option longue portée pour 802.3cg - 10Base-T1L - est spécifiquement conçue pour les objets connectés, en particulier en milieu industriel où ils servent à piloter la production. La portée de 1 000 mètres est considérée suffisante pour couvrir les distances dans les grandes usines ou les entrepôts. Et le débit de 10 Mbps est réputé suffisant pour recueillir les données des capteurs, comme pour surveiller et contrôler de nombreux types d’équipements sur les chaînes de montage. Le type de fil de cuivre utilisé est du 18AWG, soit un diamètre d’environ 1,02mm.

La norme à courte portée 10Base-T1S est principalement destinée aux applications automobiles : les câbles se destinent à intégrer voitures et camions. Ici, le type de fil de cuivre utilisé est du 24AWG, soit 0,51mm de diamètre. La norme valide aussi des fils de cuivre encore plus fins, de type 26AWG, soit 0,4mm de diamètre, pour des câbles dont la longueur ne dépasse pas 15 mètres.

L’autre particularité du 10Base-T1S est son fonctionnement possible en mode multipoint, c’est-à-dire que plusieurs dispositifs peuvent partager un même câble pour communiquer.

Le mode multipoint est implémenté grâce à la méthode PLCA, un algorithme standardisé sur Ethernet pour éviter les collisions de paquets.

La méthode PLCA utilise un principe similaire à celui des anciens réseaux Token-Ring et TDMA (Time Division Multiple Access, accès multiple par répartition dans le temps) pour maximiser le débit en contournant les collisions. Chaque nœud est configuré avec un ID et celui auquel est attribué l'ID 0 est désigné comme le coordinateur PLCA. Le coordinateur démarre un cycle de communication en envoyant un message de balise, lequel sert aux autres nœuds pour coordonner leurs horloges.

Chaque nœud détermine quand il peut envoyer des données, en observant sur le câble quand le nœud avec un ID inférieur a cessé de transmettre. Il s'ensuit alors une période de silence de 20 bits appelée période d'opportunité de transmission. Lorsque cette période se termine, le nœud suivant peut transmettre. Chaque nœud est autorisé à transmettre toutes les données dont il dispose.

Lorsque le dernier nœud reçoit une opportunité de transmettre des données, le coordinateur PLCA lance le cycle suivant avec une autre balise. Le PLCA atteint un débit plus élevé que le Token-Ring et le TDMA, parce que les nœuds n'ont pas besoin de diviser leurs messages pour les faire entrer dans des tranches de temps, et parce que la fenêtre de transmission de 20 bits consomme moins de bande passante qu'un paquet en Token-Ring.

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