Beim Aufbau von Ethernet-Netzwerken kommen verschiedene Klassen von Switching-Geräten zum Einsatz. Unabhängig davon sind nicht verwaltete Switches hervorzuheben – einfache Geräte, mit denen Sie den Betrieb eines kleinen Ethernet-Netzwerks schnell und effizient organisieren können. Dieser Artikel bietet einen detaillierten Überblick über die unmanaged Industrie-Switches der EKI-2000-Serie der Einstiegsklasse.
Einführung
Ethernet ist längst ein fester Bestandteil jedes industriellen Netzwerks. Dieser aus der IT-Branche stammende Standard ermöglichte den Übergang auf eine qualitativ neue Ebene der Netzwerkorganisation. Die Geschwindigkeiten sind gestiegen, die Zuverlässigkeit hat zugenommen und die Möglichkeit einer zentralen Verwaltung der Netzwerkinfrastruktur ist entstanden. Die Ersteller von Datenübertragungsprotokollen mussten nicht lange warten. Fast alle wichtigen Industrieprotokolle wie Modbus TCP, EtherNet/IP, IEC 60870-5-104, PROFINET, DNP3 usw. verwenden ein identisches oder ähnliches OSI-Modell als Basis. Die Nutzlast wird in einem Frame platziert und über ein Ethernet-Netzwerk übertragen. Nahezu jede moderne Steuerung, jeder Smart Sensor oder jedes Bedienpanel ist mit einer Ethernet-Schnittstelle zur Anbindung an das gleichnamige Netzwerk ausgestattet. Das bedeutet, dass ein industrielles Netzwerk theoretisch Standard-Ethernet-Geräte verwenden kann, die in einem Unternehmens-, Büro- oder sogar Heimnetzwerk zu finden sind. In der Praxis hat sich jedoch längst eine große Klasse von Geräten herausgebildet, die speziell für den Einsatz in Netzwerken wie Industrial Ethernet konzipiert sind. Es umfasst Netzwerkgeräte, die speziell für den Einsatz in einer industriellen Umgebung geeignet sind, Zuverlässigkeit und minimale Latenzzeiten gewährleisten und außerdem verschiedene Industriestandards erfüllen, die von einer bestimmten Branche gefordert werden. In diesem Fall ist die wichtigste „Kampf“-Einheit in der Regel ein industrieller Ethernet-Switch. Dies liegt daran, dass es sich bei einem Switch um ein Gerät handelt, das eine zuverlässige und vor allem schnelle Interaktion zwischen Komponenten und Knoten eines industriellen Netzwerks ermöglicht.
Switch – die optimale Lösung für ein Industrienetzwerk
Ein industrieller Switch oder Switch ist das Hauptgerät zum Aufbau eines industriellen Netzwerks. Warum ein Schalter? Schließlich gibt es noch andere Netzwerkgeräte, zum Beispiel einen Hub (Hub) oder einen Router (Router). Es geht um Geschwindigkeit und Funktionalität. Das schnellste aufgeführte Gerät ist der Hub; vor einiger Zeit erfreute sich dieser Gerätetyp aufgrund seines günstigen Preises großer Beliebtheit. Tatsächlich handelt es sich bei einem Hub um einen Multiport-Repeater; er arbeitet auf physikalischer Ebene nach dem OSI-Netzwerkmodell und leitet empfangene Daten an alle angeschlossenen Ports weiter.
Einerseits ermöglicht dieses Schema minimale Verzögerungen im Netzwerk, andererseits erhöht sich jedoch die Belastung des Netzwerks, da sich die Übertragung bei dieser Implementierung als Übertragung herausstellt. Dies führte häufig zu einem starken Rückgang der Netzwerkleistung. Ein Router wiederum ist ein Gerät, das auf Netzwerkebene nach dem OSI-Modell arbeitet und über sehr umfangreiche Funktionen verfügt, die den Aufbau von Verkehrsübertragungsrouten ermöglichen. Eine solche Funktionalität erfordert eine höhere Geräteleistung, da das Informationspaket ab dem Header der 3. Ebene des OSI-Modells und höher analysiert wird. Dadurch werden die Verzögerungen länger, da die Implementierung auf Routern in den meisten Fällen Software ist, der Preis naturgemäß höher ist und eine solche Funktionalität auf der Ebene des Netzwerkkerns gefragt ist.
Infolgedessen sind in industriellen Ethernet-Netzwerken Switches unterschiedlicher Leistungsstufen und Funktionalität am weitesten verbreitet. Ein Switch ist ein intelligenteres Gerät als ein Hub und schneller als ein Router, da er auf der Verbindungsschicht gemäß dem OSI-Modell arbeitet. Der Datenverkehr wird klar verteilt und direkt an den Empfänger gesendet, wodurch die Netzwerkausrüstung nicht unnötig belastet wird und andere Segmente keine Daten verarbeiten müssen, die nicht für sie bestimmt sind. Dies wird durch die Analyse der in jedem übertragenen Datenrahmen enthaltenen Absender- und Ziel-MAC-Adressen erreicht. Durch diese Umstellung können Sie minimale Verzögerungen bei der Verkehrsverteilung erreichen und gleichzeitig ein akzeptables Preisniveau beibehalten.
Der Switch enthält in seinem Speicher eine Tabelle (CAM-Tabelle), die die Entsprechung zwischen der MAC-Adresse des Hosts und dem physischen Port des Switches angibt, was die Belastung des Netzwerks deutlich reduziert, da der Switch genau weiß, welcher Port an den das Datenpaket weitergeleitet werden soll. Es ist jedoch zu bedenken, dass der Switch beim Einschalten oder Neustart im Trainingsmodus arbeitet, da die Korrespondenztabelle leer ist. In diesem Modus werden die am Switch ankommenden Daten an alle anderen Ports gesendet und der Switch analysiert die MAC-Adresse des Absenders und trägt sie in die Tabelle ein. Mit der Zeit wird der Datenverkehr lokalisiert, da der Switch eine vollständige MAC-Adresszuordnungstabelle für alle Ports erstellt.
Mittlerweile bieten viele Hersteller von Netzwerkgeräten für industrielle Netzwerke Switches als Geräte zur Sicherstellung der Interaktion zwischen Netzwerkknoten an. Das Portfolio umfasst Switches unterschiedlicher Funktionalität; in der Regel gibt es Unmanaged-, Managed- und L3-Level-Switches. Und wenn L3-Switches als Alternative zu Routern auf Netzwerkkernebene verwendet werden und mit ihrer Wahl nur hochspezialisierte Probleme verbunden sind, kommt es bei der Wahl zwischen einem verwalteten und einem nicht verwalteten Switch auf die richtige Definition der Aufgaben an, die das Netzwerkgerät erfüllen muss lösen. Als Nächstes betrachten wir die grundlegenden Unterschiede zwischen verwalteten und nicht verwalteten Switches.
Verwaltete und nicht verwaltete Switches
Managed und Unmanaged Switches sind eigentlich zwei verschiedene Geräte, die auf der L2-Ebene des OSI-Modells arbeiten. Ein unmanaged Switch ist so konzipiert, dass er Geschwindigkeit und übertragenen Datenverkehr automatisch gleichmäßig auf alle Netzwerkteilnehmer verteilt. Dies ist die optimale Lösung für Netzwerke mit wenigen Endgeräten; die Vorteile sind:
- Gewährleistung eines hohen Durchsatzes des Ethernet-Netzwerks;
- kurze Reaktionszeit;
- Einfache Verwaltung;
- Verfügbarkeit zusätzlicher Funktionen zur Datenflusskontrolle.
Ein verwalteter Switch ist teurer, wird für große Netzwerke verwendet und bietet die Möglichkeit, den übertragenen Datenverkehr und die Geschwindigkeit vollständig zu steuern, sowie über zusätzliche Verwaltungsfunktionen. Tatsächlich ist dies die optimale Lösung für Netzwerkabschnitte, in denen zusätzliche Funktionalität für Segmentierung, Redundanz, Informationssicherheit usw. erforderlich ist. Im Gegensatz zu einem nicht verwalteten Switch muss ein verwalteter Switch durch die Angabe einer Reihe zusätzlicher und obligatorischer Einstellungen konfiguriert werden.
Unmanaged Switches sind Plug-and-Play-Geräte, die keine komplexe Konfiguration oder tiefgreifende Kenntnisse erfordern. Sie ermöglichen Ihnen, den Austausch zwischen Geräten in einem Ethernet-Netzwerk schnell und ohne zusätzliche Einstellungen zu organisieren. Mithilfe dieser Switches können Ethernet-Geräte miteinander kommunizieren (z. B. SPS und HMI), eine Verbindung zum Netzwerk herstellen und Informationen vom Absender an das Ziel weiterleiten. Sie verfügen über eine feste Konfiguration und erlauben keine Änderungen an den Einstellungen, sodass keine Priorisierung von Frames oder zusätzliche Konfigurationen erforderlich sind.
Unmanaged Switches werden vor allem zum Anschluss von Peripheriegeräten an Netzwerkausgänge oder in einem kleinen Inselnetzwerk mit mehreren Komponenten eingesetzt. In industriellen Umgebungen ist es notwendig, auf spezifische Bedürfnisse zugeschnittene Schalter einzusetzen.
Industrieschalter werden für verschiedene industrielle Anwendungen wie Energieerzeugung, Öl und Gas, Schienenverkehr und Infrastruktur usw. entwickelt. Sie sind speziell für den Betrieb in einem breiten Temperatur-, Vibrations- und Schockbereich konzipiert und tragen zum Aufbau eines kostengünstigen und zuverlässigen sicheren Netzwerks bei.
Schalter der Advantech-Serie
Industrieschalter der Advantech-Serie sind Einstiegsgeräte und dienen dazu, die Interaktion von Geräten durch den Aufbau eines Ethernet-Netzwerks schnell zu organisieren. Derzeit in Serie Es sind mehr als 25 Geräte enthalten, die folgende Tabelle zeigt die Aufschlüsselung der Bestellnummern.
In diesem Fall können die Switches sowohl mit RJ-45-Ports als auch mit optischen Ports für die Datenübertragung über Singlemode- und Multimode-Glasfaser ausgestattet werden, die maximale Geschwindigkeit kann 1 Gbit/s erreichen.
Funktionsweise von Serienschaltern
Die Funktionalität von Unmanaged Switches ist im Allgemeinen nichts Außergewöhnliches. Lassen Sie uns jedoch herausfinden, welche Funktionen auf den Switches der Advantech-Serie noch verfügbar sind .
Automatische Erkennung des MDI/MDI-X-Verbindungstyps
Mit dieser Funktion können Sie jede Art von Ethernet-Gerät an die Switches anschließen, ohne sich Gedanken über den Kabeltyp machen zu müssen: direkt oder gekreuzt.
Typischerweise wird ein „Straight Through“-Kabel verwendet, um einen Netzwerkadapter mit L2-Netzwerkgeräten (einem Hub oder Switch) zu verbinden. Um zwei identische Netzwerkgeräte miteinander oder beispielsweise einen Netzwerkadapter mit einem Router zu verbinden, empfiehlt sich die Verwendung eines Crossover-Kabels. Dank der MDI/MDI-X-Funktion können Sie jeden Kabeltyp mit dem Switch verwenden.
Automatische Erkennung des Netzwerktyps (Auto-Negotiation)
Diese Funktion gehört nach MDI/MDI-X zu Plug and Play und ermöglicht es Ihnen, automatisch die Art des Netzwerks und die Übertragungsgeschwindigkeit zu ermitteln, die der Ethernet-Standard bietet. Dies ist in der Praxis besonders wichtig, da das bestehende Netzwerk Geräte mit unterschiedlichen Geschwindigkeitseigenschaften von 10 Mbit/s bis 1 Gbit/s nutzen kann. Auto-Negotiation erleichtert Netzwerkbenutzern das Leben erheblich. Das Gerät selbst „verhandelt“ die Geschwindigkeit mit seinem Rand „Ethernet-Nachbar“.
Broadcast-Sturmschutz
Der Schutz vor Broadcast-Stürmen ist auch eine sehr nützliche Funktion für Switches. Ein Broadcast Storm wird meist durch Schleifen im lokalen Netzwerk oder Fehlverhalten eines der Netzwerkteilnehmer verursacht. In solchen Fällen wird das Netzwerk mit einer großen Anzahl nutzloser Frames gefüllt, was sich auf seine Geschwindigkeit auswirkt.
Die Broadcast-Storm-Schutzfunktion des Switches filtert Broadcast-Frames automatisch heraus. Und wenn der Broadcast-Verkehr einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, bleibt das Netzwerk weiterhin betriebsbereit, da der Switch automatisch Bandbreite für die Übertragung normaler Frames reserviert.
Funktion zum Schutz vor Broadcast-Stürmen auf nicht verwalteten Switches standardmäßig aktiviert. Detaillierte Informationen zu den Grenzwerten für jedes Modell müssen auf der offiziellen Website des Herstellers geklärt werden.
P-Fail-Relais
Beginnen wir mit der Tatsache, dass die meisten Modelle der Serie ausgelegt für einen Eingangsspannungsbereich von 12…48 V DC. Der Eingang ist doppelt ausgeführt und durch eine selbstrückstellende Sicherung gegen Verpolung und Überstrom geschützt. Am Eingang befindet sich ein Spannungskomparator. Wenn an beide Eingänge Spannung angelegt wird, wählt der Komparator automatisch einen höheren Wert und macht diesen Eingang zum Haupteingang. Fällt die Spannung an einem der Eingänge aus oder sinkt ihr Pegel unter 12 V, schaltet der Schalter automatisch auf den zweiten Kanal um und schließt das P-Fail-Relais. Mit dieser Funktion können Sie den Zustand des Stromversorgungsnetzes der Switches überwachen und einen anormalen Betrieb umgehend melden.
LED-Anzeige
Mit dieser Funktion können Sie den Zustand des Schalters durch eine visuelle Inspektion beurteilen. Jeder Datenport des Serienschalters verfügt über zwei LEDs zur Anzeige der Übertragungsgeschwindigkeit, des Verbindungsstatus und des möglichen Kollisionsstatus. Es gibt auch LEDs, die P-Fail-Relais duplizieren, die gleichzeitig aktiviert werden, wenn einer der Stromkreise unterbrochen wird.
PoE (Power-over-Ethernet)
Auf einer Reihe nicht verwalteter Switches der Serie Die Power-over-Ethernet-Funktion wurde implementiert. Es ermöglicht die Stromversorgung entfernter Geräte gemäß den Standards IEEE 802.3af und IEEE 802.3at (PoE+), wobei als Stromleitung eine Twisted-Pair-Übertragungsleitung der Kategorie 5e und höher verwendet wird. Es wird empfohlen, als Versorgungsnetz für diese Schalter einen Nennwert von 53...57 VDC zu verwenden, um einen Spannungsabfall auf der Leitung zu vermeiden.
Integrierter EMI- und ESD-Schutz
Serie wechseln verfügen über ein eingebautes Filtersystem zum Schutz vor elektromagnetischen Störungen und statischer Spannung. Über die Stromleitung kann der Schalter bei kurzzeitigem Impulsrauschen mit einer Amplitude von bis zu 3000 V DC sowie bei elektrostatischen Entladungen an RJ-45-Ports bis zu 4000 V betriebsbereit sein.
Konstruktiv
Absolut alle Schalter der Serie verfügen über ein robustes Metallgehäuse mit der Schutzart IP30. Strukturell Reihe kann in zwei Versionen hergestellt werden, entweder als Version zur Montage auf einer DIN-Schiene oder zur Montage in einem 19‘-Rack. Alle notwendigen Montageteile sind im Bausatz enthalten. Außerdem können Schalter, die für die Montage auf einer DIN-Schiene vorgesehen sind, auf einer Schalttafel montiert werden; die Halterung ist im Lieferumfang enthalten.
Abschluss
Industrielle unmanaged Switches sind Geräte, die speziell für den Einsatz in einer industriellen Umgebung geeignet sind. Sie sorgen für eine zuverlässige und schnelle Interaktion zwischen Ethernet-Knoten und erfordern keine zusätzlichen Einstellungen oder Konfigurationen. Derzeit ist ein Unmanaged Switch ein einfaches, kostengünstiges Netzwerkgerät, das eine ziemlich große Anzahl grundlegender Aufgaben im Zusammenhang mit der Organisation des Austauschs über ein Ethernet-Netzwerk lösen kann. Es ist keine Konfiguration erforderlich; Sie müssen lediglich den Schalter aus der Box entfernen und alle erforderlichen Anschlüsse anschließen.
Advantech Unmanaged Switch-Serie , das zur beschriebenen Geräteklasse gehört, unterstützt eine Vielzahl wichtiger und notwendiger Funktionen, wie automatische Erkennung des MDI/MDI-X-Verbindungstyps, automatische Erkennung des Netzwerktyps (Auto-Negotiation), Broadcast-Storm-Schutz, PoE, Schutz gegen elektromagnetische Störungen und elektrostatische Spannungen usw. Zusammengenommen ermöglichen Ihnen alle diese Funktionen die Nutzung um grundlegende Probleme der Organisation der Interaktion zwischen Netzwerk und Endknoten zu lösen.
Anwendungsbeispiel
Einer der Kunden von Advantech ist . Um die Datenkommunikationsfähigkeiten zu verbessern und gleichzeitig die damit verbundenen Kosten zu senken, entschied sich CNPC für die Ölfeldüberwachungs- und -steuerungslösung von Advantech. Die Datenübertragung vom Feld zur Leitstelle erfolgt über ein Mobilfunknetz. Router wurden mit Schaltern eingebaut in Schränken neben den Pumpenschächten und bietet Netzwerkkonnektivität für Feldgeräte wie Kameras, SPS, RTUs und andere Geräte.
Literatur
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Der Autor ist ein Mitarbeiter des Unternehmens
Source: habr.com