Пры пабудове сетак Ethernet выкарыстоўваюцца розныя класы які камутуе абсталявання. Асобна варта вылучыць некіравальныя камутатары - простыя прылады, якія дазваляюць хутка і эфектыўна арганізаваць працу невялікай Ethernet-сеткі. У дадзеным артыкуле прыводзіцца падрабязны агляд некіравальных прамысловых камутатараў пачатковага ўзроўня серыі EKI-2000.
Увядзенне
Ethernet ужо даўно стаў неад'емнай часткай любой прамысловай сеткі. Гэты стандарт, які прыйшоў з IT-індустрыі, дазволіў перайсці на якасна новы ўзровень арганізацыі сеткі. Павялічыліся хуткасці, павысілася надзейнасць, з'явілася магчымасць цэнтралізаванага кіравання сеткавай інфраструктурай. Не прымусілі сябе доўга чакаць і стваральнікі пратаколаў перадачы даных. Практычна ўсе асноўныя прамысловыя пратаколы, такія як Modbus TCP, EtherNet/IP, IEC 60870-5-104, PROFINET, DNP3 і г.д., выкарыстоўваюць у якасці асновы ідэнтычную ці набліжаную мадэль OSI. Карысныя дадзеныя (payload) змяшчаюцца ва фрэйм і перадаюцца па Ethernet-сеткі. Амаль кожны сучасны кантролер, інтэлектуальны датчык ці панэль аператара абсталяваны Ethernet-інтэрфейсам для магчымасці падлучэння ў аднайменную сетку. Гэта азначае, што тэарэтычна для прамысловай сеткі можна ўжыць стандартныя Ethernet-прылады, якія можна знайсці ў карпаратыўнай, офіснай і нават хатняй сетцы. Аднак на практыку ўжо даўно сфармаваўся вялікі клас прылад, які прызначаны для працы менавіта з сеткамі тыпу Industrial Ethernet. У яго ўваходзяць сеткавыя прылады, адаптаваныя для працы менавіта ў прамысловым асяроддзі, якія забяспечваюць надзейнасць, мінімальныя ўзроўні затрымак, а таксама якія адпавядаюць розным прамысловым стандартам, якія прад'яўляе тая ці іншая галіна. Пры гэтым асноўны "баявой" адзінкай, як правіла, выступае прамысловы Ethernet-камутатар. Гэта злучана з тым, што камутатар – прылада, якое дазваляе ажыццявіць надзейнае і, галоўнае, хуткае ўзаемадзеянне паміж кампанентамі і вузламі прамысловай сеткі.
Камутатар - аптымальнае рашэнне для прамысловай сеткі
Прамысловы камутатар, або світч (switch) з'яўляецца асноўнай прыладай, якое выкарыстоўваецца для пабудовы прамысловай сеткі. Чаму менавіта камутатар? Бо ёсць і іншыя сеткавыя прылады, напрыклад канцэнтратар (хаб, hub) ці маршрутызатар (роўтэр, router). Усё звязана з хуткадзейнасцю і функцыянальнасцю. Самай хуткадзейнай прыладай з пералічаных з'яўляецца канцэнтратар, нейкае час назад гэты тып прылад быў вельмі папулярны з-за невысокага кошту. Фактычна канцэнтратар - гэта шматпартовы паўторнік, ён працуе фізічна згодна з сеткавай мадэлі OSI і рэтранслюе атрыманыя дадзеныя на ўсе падлучаныя парты.
З аднаго боку, такая схема дазваляе забяспечыць мінімальныя затрымкі ў сетцы, але з іншага боку, узрастае нагрузка на сетку, бо трансляцыя пры такой рэалізацыі атрымліваецца шырокавяшчальнай. Гэта часта прыводзіла да рэзкага падзення прадукцыйнасці сеткі. Маршрутызатар, у сваю чаргу, прылада, якое працуе на сеткавым узроўні паводле мадэлі OSI і валодае вельмі багатай функцыянальнасцю, якая дазваляе забяспечыць пабудову маршрутаў перадачы трафіку. Падобная функцыянальнасць патрабуе больш высокай прадукцыйнасці прылады, бо адбываецца аналіз інфармацыйнага пакета, пачынальна ад загалоўка 3-го ўзроўня мадэлі OSI і вышэй. У выніку затрымкі становяцца больш, бо рэалізацыя на маршрутызатарах у большасці злучае праграмная, кошт, натуральна, вышэй, ды і падобная функцыянальнасць запатрабаваная на ўзроўні ядра сеткі.
У выніку найвялікі распаўсюд у прамысловых Ethernet-сетках атрымалі менавіта камутатары, пры гэтым рознага ўзроўня і функцыянальнасці. Камутатар уяўляе сабою больш інтэлектуальная прылада, чым канцэнтратар, і хутчэйшая, чым маршрутызатар, бо функцыянуе на канальным узроўні паводле мадэлі OSI. Трафік выразна размяркоўваецца і накіроўваецца адразу да адрасата, што выключае лішнюю нагрузку на сеткавае абсталяванне, дазваляючы іншым сегментам не апрацоўваць дадзеныя, якія прызначаны не ім. Гэта забяспечваецца за кошт аналізу MAC-адрасоў адпраўшчыкаў і адрасатаў, якія змяшчаюцца ў кожным перадаваным фрэйме дадзеных. Такая камутацыя дазваляе дасягнуць мінімальных затрымак пры размеркаванні трафіку, захоўваючы прымальны ўзровень кошту.
У сваёй памяці камутатар утрымоўвае табліцу (CAM-table), дзе паказваецца адпаведнасць MAC-адрасы вузла і фізічнага порта камутатара, што як раз і забяспечвае паніжэнне нагрузкі на сетку, бо камутатар сапраўды ведае, на які порт перасылаць пакет дадзеных. Аднак варта ўлічваць, што калі камутатар уключаюць альбо перазагружаюць, ён працуе ў навучальным рэжыме, бо табліца адпаведнасці пустая. У такім рэжыме дадзеныя, якія прыходзяць на камутатар, рассылаюцца на ўсе астатнія парты, а камутатар праводзіць аналіз і заносіць у табліцу MAC-адрас адпраўніка. З часам трафік лакалізуецца, бо камутатар складае поўную табліцу адпаведнасці MAC-адрасоў усіх партоў.
Цяпер шматлікія вытворцы сеткавага абсталявання для прамысловых сетак прапануюць менавіта камутатары як прылады для забеспячэння ўзаемадзеяння паміж вузламі сеткі. У партфоліё маюцца камутатары рознай функцыянальнасці, як правіла, вылучаюць некіравальныя, кіраваныя і камутатары ўзроўня L3. І калі L3-камутатары ўжываюцца як альтэрнатыва маршрутызатарам на ўзроўні ядра сеткі і з іх выбарам злучаны толькі вузкаспецыялізаваныя пытанні, то выбар паміж кіраваным і некіравальным камутатарам зводзіцца да правільнага вызначэння задач, якія павінна вырашаць сеткавая прылада. Далей разгледзім базавыя адрозненні паміж кіраванымі і некіравальнымі камутатарамі.
Кіраваны і некіравальны камутатары
Кіраваны і некіравальны камутатары – гэта фактычна два розных прылады, якія функцыянуюць на ўзроўні L2 мадэлі OSI. Некіравальны камутатар прызначаны для аўтаматычнага раўнамернага размеркавання хуткасці і які перадаецца трафіку па ўсіх удзельніках сеткі. Гэта аптымальнае рашэнне для сетак з невялікай колькасцю канцавых прылад, з пераваг можна вылучыць:
- забеспячэнне высокай прапускной здольнасці Ethernet-сеткі;
- невялікі час водгуку;
- прастата кіравання;
- наяўнасць дадатковай функцыянальнасці па кіраванні патокам дадзеных.
Кіраваны камутатар мае больш высокі кошт, ужываецца для буйных сетак і мае магчымасць поўнага кіравання перадаваным трафікам, хуткасцю, а таксама валодае дадатковымі магчымасцямі кіравання. Фактычна гэта аптымальнае рашэнне для ўчасткаў сеткі, дзе неабходная дадатковая функцыянальнасць па сегментаванні, рэзерваванні, інфармацыйнай абароне і да т.п. У адрозненне ад некіравальнай камутатара кіраваны неабходна канфігураваць шляхам задання шэрагу дадатковых і абавязковых налад.
Некіравальныя камутатары - гэта прылады тыпу Plug and Play, якія не патрабуюць складанай налады і глыбокіх ведаў. Яны дазваляюць хутка арганізаваць абмен паміж абсталяваннем у Ethernet-сетцы без дадатковых налад. Гэтыя камутатары дазваляюць Ethernet-прыладам узаемадзейнічаць сябар з сябрам (напрыклад, ПЛК і HMI), забяспечваючы злучэнне з сеткай і перадаючы інфармацыю адрасату ад адпраўніка. Яны пастаўляюцца з фіксаванай канфігурацыяй і не дапушчаюць ніякіх змен у наладах, таму няма неабходнасці расстаўляць прыярытэты фрэймаў і ажыццяўляць дадатковую наладу.
Некіравальныя камутатары галоўным чынам выкарыстоўваюцца для падлучэння перыферыйных прылад да сеткавых адгалінаванняў або ў невялікай аўтаномнай сетцы з некалькімі кампанентамі. У прамысловых умовах неабходна выкарыстоўваць камутатары, адаптаваныя для пэўных патрэб.
Прамысловыя камутатары распрацоўваюцца для розных галіновых ужыванняў, такіх як электраэнергетыка, нафтагазавая сфера, чыгуначны транспарт і інфраструктура і г.д. Яны спецыяльна распрацаваны для эксплуатацыі ў пашыраным дыяпазоне тэмператур, ва ўмовах вібрацый і ўдараў і садзейнічаюць стварэнню эканамічна эфектыўнай і надзейнай абароненай сеткі.
Камутатары Advantech серыі
Прамысловыя камутатары Advantech серыі з'яўляюцца прыладамі пачатковага ўзроўня і прызначаны для хуткай арганізацыі ўзаемадзеяння прылад пасродкам стварэння Ethernet-сеткі. У сапраўдны момант у серыю уключаны больш за 25 прылад, у табліцы ніжэй прыведзена расшыфроўка нумара для замовы.
Пры гэтым камутатары могуць быць абсталяваныя як партамі тыпу RJ-45, так і аптычнымі партамі для перадачы дадзеных па одномодовому і шматмодаваму оптавалакну, максімальная хуткасць пры гэтым можа дасягаць 1 Гбіт/з.
Функцыянальнасць камутатараў серыі
Функцыянальнасць некіравальных камутатараў, як правіла, не з'яўляецца чымсьці экстраардынарным. Аднак давайце разбяромся, якія функцыі ўсёткі знаходзяцца на ўзбраенні камутатараў Advantech серыі .
Аўтаматычнае вызначэнне тыпу злучэння MDI/MDI-X
Гэтая функцыя дазваляе падлучаць да камутатараў любыя тыпы Ethernet-прылад, не думаючы аб тыпе кабеля: "прамы" (straight) ён або крыжаваны (crossover).
Звычайна для злучэння сеткавага адаптара з сеткавым абсталяваннем узроўня L2 (канцэнтратарам або камутатарам) выкарыстоўваецца "прамы" кабель. Для злучэння двух ідэнтычных сеткавых прылад паміж сабой ці, напрыклад, сеткавага адаптара з маршрутызатарам, загадана выкарыстоўваць крыжаваны кабель. Наяўнасць функцыі MDI/MDI-X дазваляе выкарыстоўваць любы тып кабеля сумесна з камутатарам.
Аўтаматычнае вызначэнне тыпу сеткі (Auto-Negotiation)
Дадзеная функцыя ўслед за MDI/MDI-X ставіцца да Plug and Play і дазваляе аўтаматычна вызначыць тып сеткі і хуткасць перадачы, прадугледжаную стандартам Ethernet. На практыцы гэта асабліва важна, бо ў існай сетцы можа ўжывацца абсталяванне з рознымі хуткаснымі характарыстыкамі, ад 10 Мбіт/з да 1 Гбіт/c. Auto-Negotiation дазваляе істотна аблегчыць жыццё карыстальнікам сеткі. Прылада само "дамовіцца" аб хуткасці з межавым "Ethernet-суседам".
Абарона ад шырокавяшчальнага шторму
Абарона ад шырокавяшчальнага шторму з'яўляецца таксама вельмі карыснай функцыяй для камутатараў. Шырокавяшчальны шторм, як правіла, выклікаецца «завесамі» у лакальнай сетцы альбо няправільнымі паводзінамі аднаго з удзельнікаў сеткі. У такіх выпадках сетка будзе запоўнена вялікай колькасцю бескарысных фрэймаў, што адаб'ецца на яе хуткасці.
Функцыя абароны ад шырокавяшчальнага шторму на камутатары аўтаматычна адфільтроўвае шырокавяшчальныя фрэймы. І калі шырокавяшчальны трафік перавышае пэўны парог, сетка па-ранейшаму застаецца працаздольнай, бо камутатар аўтаматычна рэзервуе паласу прапускання для перадачы звычайных фрэймаў.
Функцыя абароны ад шырокавяшчальнага шторму на некіравальных камутатарах уключана па змаўчанні. Падрабязную інфармацыю аб парогавых значэннях для кожнай мадэлі неабходна ўдакладняць на афіцыйным сайце вытворцы.
P-Fail рэле
Пачнём з таго, што большасць мадэляў серыі разлічаны на дыяпазон уваходнай напругі сілкавання 12…48 У сталага току. Уваход дубляваны і валодае абаронай ад пераполюсоўкі, а таксама ад перагрузкі па току пасродкам самааднаўляльнага засцерагальніка. На ўваходзе варта кампаратар напругі, і пры падачы напругі на абодва ўваходу кампаратар аўтаматычна выбірае больш высокае значэнне і робіць дадзены ўваход асноўным. Пры знікненні напругі на адным з уваходаў альбо пры прасадцы яго ўзроўня ніжэй 12 У камутатар аўтаматычна пераходзіць на другі канал і замыкае P-Fail рэле. Дадзеная функцыя дазваляе кантраляваць стан сілкавальнай сеткі камутатараў і аператыўна сігналізаваць аб няштатнай працы.
Святлодыёдная індыкацыя
Гэтая функцыя дазваляе забяспечыць адзнаку стану камутатара пры яго візуальным аглядзе. Кожны порт перадачы дадзеных камутатара серыі мае два святлодыёда для адлюстравання хуткасці перадачы, статуту злучэння і статуту магчымай калізіі. Таксама маюцца святлодыёды, дублюючыя P-Fail рэле, якія адначасова спрацоўваюць пры абрыве аднаго з ланцугоў харчавання.
PoE (Power-over-Ethernet)
На шэрагу некіравальных камутатараў серыі рэалізавана функцыя Power-over-Ethernet. Яна дазваляе забяспечыць сілкаванне выдаленых прылад па стандарце IEEE 802.3af і IEEE 802.3at (PoE+), дзе ў якасці сілкавальнай лініі выкарыстоўваецца якая перадае лінія на базе вітай пары катэгорыі 5e і вышэй. У якасці сілкавальнай сеткі для дадзеных камутатараў рэкамендуецца выкарыстоўваць намінальнае значэнне 53…57 У сталага току, каб выключыць падзенне напругі на лініі.
Убудаваная абарона ад электрамагнітных перашкод і электрастатычных разрадаў
Камутатары серыі маюць убудаваную сістэму фільтравання для абароны ад электрамагнітных перашкод і ад статычнай напругі. Па лініі сілкавання камутатар можа забяспечыць працаздольнасць пры кароткачасовых імпульсных перашкодах з амплітудай да 3000 У сталага току, а таксама пры электрастатычных разрадах на партах RJ-45 да 4000 У.
Канструктыў
Абсалютна ўсе камутатары серыі валодаюць трывалым металічным корпусам са ступенню абароны IP30. Канструктыўна серыя можа быць выканана ў двух варыянтах, гэта альбо выкананне для мантажу на DIN-рэйку, альбо для мантажу ў 19ʺ стойку. Усё неабходнае мацаванне ідзе ў камплекце. Таксама камутатары, якія прызначаны для мацавання на DIN-рэйку, можна змантаваць на панэль, мацаванне пастаўляецца ў камплекце.
Заключэнне
Прамысловыя некіравальныя камутатары - гэта прылады, адаптаваныя для працы менавіта ў прамысловым асяроддзі. Яны забяспечваюць надзейнае і хуткае ўзаемадзеянне паміж Ethernet-вузламі, пры гэтым не патрабуюць дадатковых налад і канфігураванні. На дадзены момант некіравальны камутатар – простае бюджэтнае сеткавае прылада, здольнае вырашыць дастаткова вялікая колькасць базавых задач, звязаных з арганізацыяй абмену па Ethernet-сеткі. Налада пры гэтым не патрабуецца, досыць проста выняць камутатар са скрынкі і падлучыць усе неабходныя канектары.
Серыя некіравальных камутатараў Advantech , якая адносіцца да апісанага класа прылад, падтрымлівае шырокі пералік важных і патрэбных функцый, такіх як аўтаматычнае вызначэнне тыпу злучэння MDI/MDI-X, аўтаматычнае вызначэнне тыпу сеткі (Auto-Negotiation), абарона ад шырокавяшчальнага шторму, PoE, абарона ад электрамагнітных перашкод і электрастатычных разрадаў і г.д. У сукупнасці ўсе гэтыя функцыі дазваляюць выкарыстоўваць для рашэння базавых задач па арганізацыі ўзаемадзеяння паміж сеткавымі і канцавымі вузламі.
Прыклад прымянення
Адным з кліентаў Advantech з'яўляецца . Каб пашырыць магчымасці перадачы даных пры адначасовым зніжэнні звязаных з гэтым затрат, CNPC выбрала рашэнне Advantech для маніторынгу і кіравання радовішчам нафты. Дадзеныя перадаюцца праз сотавую сетку з радовішча ў цэнтр кіравання. Маршрутызатары былі ўстаноўлены з камутатарамі у шафах побач з помпавымі адсекамі, забяспечваючы сеткавае падлучэнне для палявога абсталявання, такога як камеры, ПЛК, RTU і іншыя прылады.
Літаратура
1.
2.
3.
Аўтар - супрацоўнік фірмы
Крыніца: habr.com