При изграждането на Ethernet мрежи се използват различни класове комутационно оборудване. Отделно си струва да се подчертаят неуправляемите комутатори - прости устройства, които ви позволяват бързо и ефективно да организирате работата на малка Ethernet мрежа. Тази статия предоставя подробен преглед на началните неуправляеми индустриални комутатори от серията EKI-2000.
въведение
Ethernet отдавна се е превърнал в неразделна част от всяка индустриална мрежа. Този стандарт, който дойде от ИТ индустрията, направи възможно преминаването към качествено ново ниво на мрежова организация. Скоростите се увеличиха, надеждността се увеличи и се появи възможността за централизирано управление на мрежовата инфраструктура. Създателите на протоколи за пренос на данни не бяха принудени да чакат дълго. Почти всички основни индустриални протоколи, като Modbus TCP, EtherNet/IP, IEC 60870-5-104, PROFINET, DNP3 и др., използват идентичен или подобен OSI модел като основа. Полезният товар се поставя в рамка и се предава по Ethernet мрежа. Почти всеки съвременен контролер, интелигентен сензор или операторски панел е оборудван с Ethernet интерфейс за свързване към едноименната мрежа. Това означава, че на теория една индустриална мрежа може да използва стандартни Ethernet устройства, които могат да бъдат намерени в корпоративна, офисна или дори домашна мрежа. На практика обаче отдавна се формира голям клас устройства, които са предназначени да работят специално с мрежи като Industrial Ethernet. Той включва мрежови устройства, адаптирани да работят специално в индустриална среда, осигуряващи надеждност, минимални нива на латентност и също отговарящи на различни индустриални стандарти, изисквани от определена индустрия. В този случай основната „бойна“ единица, като правило, е индустриален Ethernet комутатор. Това се дължи на факта, че комутаторът е устройство, което позволява надеждно и най-важното бързо взаимодействие между компоненти и възли на индустриална мрежа.
Switch – оптималното решение за индустриална мрежа
Индустриален комутатор или комутатор е основното устройство, използвано за изграждане на индустриална мрежа. Защо превключвател? В крайна сметка има и други мрежови устройства, например хъб (хъб) или рутер (рутер). Всичко опира до бързина и функционалност. Най-бързото устройство в списъка е хъбът, преди време този тип устройства бяха много популярни поради ниската си цена. Всъщност хъбът е многопортов ретранслатор; той работи на физическо ниво според мрежовия модел OSI и препредава получените данни към всички свързани портове.
От една страна, тази схема позволява минимални закъснения в мрежата, но от друга страна, натоварването на мрежата се увеличава, тъй като излъчването с тази реализация се оказва излъчено. Това често водеше до рязък спад в производителността на мрежата. Рутерът от своя страна е устройство, което работи на мрежово ниво по модела OSI и има много богата функционалност, позволяваща изграждането на маршрути за пренос на трафик. Такава функционалност изисква по-висока производителност на устройството, тъй като информационният пакет се анализира, като се започне от заглавката на 3-то ниво на OSI модела и по-високо. В резултат на това забавянията стават по-дълги, тъй като внедряването на рутери в повечето случаи е софтуерно, цената естествено е по-висока и такава функционалност се търси на ниво ядро на мрежата.
В резултат на това комутаторите с различни нива и функционалност станаха най-разпространени в индустриалните Ethernet мрежи. Суичът е по-интелигентно устройство от хъб и по-бързо от рутер, защото работи на слоя за връзка според OSI модела. Трафикът е ясно разпределен и изпратен директно до получателя, което елиминира ненужното натоварване на мрежовото оборудване, позволявайки на други сегменти да не обработват данни, които не са предназначени за тях. Това се постига чрез анализиране на MAC адресите на изпращача и дестинацията, съдържащи се във всеки предаван кадър с данни. Това превключване ви позволява да постигнете минимални забавяния в разпределението на трафика, като същевременно поддържате приемливо ценово ниво.
В паметта си суичът съдържа таблица (CAM-таблица), която показва съответствието между MAC адреса на хоста и физическия порт на суича, което точно намалява натоварването на мрежата, тъй като суичът знае точно кой порт към който да препратите пакета данни. Въпреки това си струва да се има предвид, че когато превключвателят е включен или рестартиран, той работи в режим на обучение, тъй като таблицата за съответствие е празна. В този режим данните, които идват към комутатора, се изпращат до всички останали портове, а комутаторът анализира и въвежда MAC адреса на подателя в таблицата. С течение на времето трафикът се локализира, тъй като комутаторът компилира пълна таблица за съпоставяне на MAC адреси за всички портове.
Сега много производители на мрежово оборудване за индустриални мрежи предлагат комутатори като устройства за осигуряване на взаимодействие между мрежовите възли. Портфолиото включва превключватели с различна функционалност, като правило има неуправляеми, управлявани и L3 превключватели. И ако комутаторите L3 се използват като алтернатива на рутерите на ниво ядро на мрежата и само високоспециализирани въпроси са свързани с техния избор, тогава изборът между управляван и неуправляем комутатор се свежда до правилното дефиниране на задачите, които мрежовото устройство трябва решавам. След това ще разгледаме основните разлики между управляваните и неуправляваните комутатори.
Управлявани и неуправляеми превключватели
Управляваните и неуправляваните комутатори всъщност са две различни устройства, които работят на ниво L2 на OSI модела. Неуправляемият комутатор е проектиран да разпределя автоматично скоростта и предавания трафик равномерно между всички участници в мрежата. Това е оптималното решение за мрежи с малък брой крайни устройства; предимствата включват:
- осигуряване на висока пропускателна способност на Ethernet мрежата;
- кратко време за реакция;
- Лесно управление;
- наличие на допълнителна функционалност за управление на потока от данни.
Управляваният комутатор има по-висока цена, използва се за големи мрежи и има възможност за пълен контрол на предавания трафик, скорост, а също така има допълнителни възможности за управление. Всъщност това е оптималното решение за участъци от мрежата, където е необходима допълнителна функционалност за сегментиране, резервиране, информационна сигурност и др. За разлика от неуправляемия комутатор, управляваният комутатор трябва да бъде конфигуриран чрез указване на редица допълнителни и задължителни настройки.
Неуправляваните превключватели са plug and play устройства, които не изискват сложна конфигурация или задълбочени познания. Те ви позволяват бързо да организирате обмен между оборудване в Ethernet мрежа без допълнителни настройки. Тези превключватели позволяват на Ethernet устройствата да комуникират помежду си (като PLC и HMI), като осигуряват връзка към мрежата и предават информация към дестинацията от подателя. Те идват с фиксирана конфигурация и не позволяват промени в настройките, така че няма нужда да приоритизирате рамки или да извършвате допълнителна конфигурация.
Неуправляемите комутатори се използват предимно за свързване на периферни устройства към мрежови разклонения или в малка самостоятелна мрежа с няколко компонента. В индустриални среди е необходимо да се използват превключватели, съобразени със специфични нужди.
Индустриалните превключватели са разработени за различни индустриални приложения като производство на електроенергия, нефт и газ, железопътен транспорт и инфраструктура и др. Те са специално проектирани да работят в широк диапазон от температури, вибрации и удари и допринасят за създаването на рентабилна и надеждна защитена мрежа.
Превключватели от серия Advantech
Индустриални ключове серия Advantech са устройства от начално ниво и са предназначени за бързо организиране на взаимодействието на устройствата чрез създаване на Ethernet мрежа. В момента в серия Включени са повече от 25 устройства, таблицата по-долу показва разбивката на номера на поръчката.
В този случай комутаторите могат да бъдат оборудвани както с RJ-45 портове, така и с оптични портове за предаване на данни по едномодово и многомодово влакно, като максималната скорост може да достигне 1 Gbit/s.
Функционалност на серийните превключватели
Функционалността на неуправляваните комутатори като цяло не е нещо изключително. Нека обаче да разберем какви функции все още са налични на превключвателите от серията Advantech .
Автоматично откриване на типа връзка MDI/MDI-X
Тази функция ви позволява да свържете всякакъв тип Ethernet устройство към комутаторите, без да се притеснявате за вида на кабела: прав или кръстосан.
Обикновено "прав" кабел се използва за свързване на мрежов адаптер към L2 мрежово оборудване (хъб или комутатор). За да свържете две еднакви мрежови устройства едно към друго или например мрежов адаптер към рутер, се препоръчва да използвате кръстосан кабел. Наличието на функцията MDI/MDI-X ви позволява да използвате всякакъв вид кабел с превключвателя.
Автоматично откриване на типа мрежа (автоматично договаряне)
Тази функция, след MDI/MDI-X, принадлежи към Plug and Play и ви позволява автоматично да определяте типа мрежа и скоростта на предаване, осигурени от стандарта Ethernet. На практика това е особено важно, тъй като съществуващата мрежа може да използва оборудване с различни скоростни характеристики от 10 Mbit/s до 1 Gbit/s. Автоматичното договаряне прави живота много по-лесен за потребителите на мрежата. Самото устройство ще „договаря“ скоростта със своя граничен „Ethernet съсед“.
Защита от излъчване на буря
Защитата от излъчване на буря също е много полезна функция за комутатори. Излъчваната буря обикновено се причинява от цикли в локалната мрежа или неправилно поведение на един от участниците в мрежата. В такива случаи мрежата ще бъде изпълнена с голям брой безполезни рамки, което ще се отрази на нейната скорост.
Функцията за защита от излъчване на буря на комутатора автоматично филтрира излъчваните кадри. И когато излъчваният трафик надхвърли определен праг, мрежата продължава да работи, защото комутаторът автоматично резервира честотна лента за предаване на нормални рамки.
Функция за защита от излъчване на буря на неуправляеми комутатори активиран по подразбиране. Подробна информация за праговите стойности за всеки модел трябва да бъде изяснена на официалния уебсайт на производителя.
P-Fail реле
Да започнем с факта, че повечето модели от серията проектиран за диапазон на входно напрежение от 12…48 V DC. Входът е дублиран и е защитен от обръщане на поляритета, както и от свръхток чрез самовъзстановяващ се предпазител. На входа има компаратор на напрежение, като при подаване на напрежение и на двата входа, компараторът автоматично избира по-висока стойност и прави този вход основен. Когато напрежението на един от входовете отпадне или когато нивото му падне под 12 V, превключвателят автоматично превключва на втория канал и затваря релето P-Fail. Тази функция ви позволява да наблюдавате състоянието на захранващата мрежа на превключвателите и незабавно да сигнализирате за ненормална работа.
LED индикация
Тази функция ви позволява да оцените състоянието на превключвателя чрез визуална проверка. Всеки порт за данни на серийния комутатор има два светодиода за показване на скоростта на предаване, състоянието на връзката и възможното състояние на сблъсък. Има и светодиоди, които дублират P-Fail релета, които се активират едновременно, когато една от захранващите вериги е счупена.
PoE (захранване през Ethernet)
На редица неуправляеми превключватели в серията Внедрена е функцията Power-over-Ethernet. Позволява ви да осигурите захранване на отдалечени устройства съгласно стандартите IEEE 802.3af и IEEE 802.3at (PoE+), където като захранваща линия се използва преносна линия с усукана двойка от категория 5e и по-висока. Препоръчва се да се използва номинална стойност от 53...57 VDC като захранваща мрежа за тези превключватели, за да се избегне спад на напрежението в линията.
Вградена EMI и ESD защита
Превключете серия имат вградена филтрираща система за защита от електромагнитни смущения и статично напрежение. Чрез захранващата линия превключвателят може да осигури работоспособност по време на краткотраен импулсен шум с амплитуда до 3000 V DC, както и по време на електростатични разряди на RJ-45 портове до 4000 V.
Form Factor
Абсолютно всички ключове от серията имат издръжлив метален корпус със степен на защита IP30. Структурно серия може да се направи в две версии, това е или версия за монтаж на DIN шина или за монтаж в 19' шкаф. Всички необходими монтажни елементи са включени в комплекта. Също така, превключватели, които са предназначени за монтиране на DIN шина, могат да бъдат монтирани на панел; стойката се доставя.
Заключение
Индустриалните неуправляеми комутатори са устройства, адаптирани да работят специално в индустриална среда. Те осигуряват надеждно и бързо взаимодействие между Ethernet възли и не изискват допълнителни настройки или конфигурация. В момента неуправляемият комутатор е просто евтино мрежово устройство, което може да реши доста голям брой основни задачи, свързани с организирането на обмен през Ethernet мрежа. Не е необходима конфигурация; просто трябва да извадите превключвателя от кутията и да свържете всички необходими конектори.
Advantech Unmanaged Switch Series , принадлежащ към описания клас устройства, поддържа широк набор от важни и необходими функции, като автоматично откриване на типа връзка MDI/MDI-X, автоматично откриване на типа мрежа (Auto-Negotiation), защита от излъчване на буря, PoE, защита срещу електромагнитни смущения и електростатични рани и др. Взети заедно, всички тези функции ви позволяват да използвате за решаване на основни проблеми на организиране на взаимодействието между мрежата и крайните възли.
Пример за приложение
Един от клиентите на Advantech е . За да подобри възможностите за комуникация на данни, като същевременно намали свързаните с това разходи, CNPC избра решението за мониторинг и контрол на петролни находища на Advantech. Данните се предават чрез клетъчна мрежа от полето до контролния център. Рутери бяха монтирани с ключове в шкафове в съседство с помпените отделения, осигурявайки мрежова свързаност за полево оборудване като камери, PLC, RTU и други устройства.
Литература
1.
2.
3.
Авторът е служител на фирмата
Източник: www.habr.com