Har du precis fått uppdraget att sätta upp ett industriellt nätverk? Att välja lämplig Industriell Ethernet hårdvara kan bli ett komplicerat arbete. Denna artikel är till för att guida dig mellan alla olika optioner. Förenkla betydelsefulla val som kan betyda att slutprodukten blir ett effektivt och ändamålsenligt industriellt nätverk.
Av Peter Fredriksson - Elektronix Sverige

Innan vi undersöker alla funktioner som Industriella switchar erbjuder så ska vi titta på exakt vad en Ethernet switch är och vad den gör. En Ethernet switch (också känt som switching hub) är enkelt sagt ett sammanlänkande nav mellan olika Ethernet utrustningar. Den tar emot information (TCP/IP paket) som skickats av en Ethernet utrustning, skickar vidare till lämplig switch port som i sin tur är ansluten till mottagare utrustningen. Samtidigt som informationen skickas vidare lär sig switchen var
en utrustning är ansluten. Detta ger ett effektivare nyttjande av bandbredden eftersom informationen (TCP/IP paketen) bara skickas på den rätta switch porten.

En Ethernet hub (även känd som repeating hub) är en liknande produkt men den tillåter bara att en Ethernet utrustning åt gången skickar information över nätverket.
Det gör att effektiviteten i nätverket sjunker eftersom varje ansluten utrustning måste vänta på sin tur innan informationen kan skickas.

Dom flesta Ethernet switchar använder "store" och "forward" metoden för att skicka information (TCP/IP paket). Det betyder att switchen tar emot ett helt paket innan den skickar paketet vidare på rätt port(ar). En hub tar emot en bit och skickar sedan vidare denna bit.

Samtidigt som switchen lär sig vart olika utrustning är ansluten så sparas denna information i ett inbyggt adressregister minne. TCP/IP paket som är på väg att skickas vidare finns också i ett minne. Det varierar mycket från switch till switch i hur mycket adress och paket minne som är inbyggt. Ett övervägande av hur många Ethernet utrustningar som ska anslutas till det totala nätverket måste göras. En lämplig switch måste ha tillräckligt mycket adress minne för att klara av samtliga utrustningar i nätverket. Tex. om ditt nätverk innehåller 100st Ethernet anslutna enheter så måste din switch få platts med minst 100st Ethernet adresser.

Dom flesta switchar erbjuder grundläggande funktioner som gör det möjligt att övervaka nätverket via LED lampor för "link" och "activity". Dom flesta switchar har också möjligheten att förhandla olika inställningar.

Förhandling
Många switchar har stöd för två olika typer av förhandling. Den första kallas "auto-negotiation". Detta protokoll tillåter två stycken anslutna utrustningar (tex. en dator och en switch) att avtala om vissa parametrar i kommunikationen dem emellan. En parameter som dom skulle förhandla är vilken data hastighet som ska användas. Hastigheten är normalt 10Mbps eller 100Mbps. Dom förhandlar om halv eller full duplex. Full duplex tillåter samtidig kommunikation åt båda hållen, medan halv duplex bara tillåter kommunikation åt ett håll åt gången. Dom förhandlar också om "flow control" i kommunikationen. Om "flow control" används så kan någon av utrustningarna vid behov begära att kommunikationen stoppas, för att tex. hinna med att skicka vidare mottagen information.

Support för Auto-MDIX eller Auto-crossover är en annan typ av förhandling som kan förekomma mellan två Ethernet utrustningar. Detta gör det möjligt för utrustningarna att bestämma vilket tråd par som ska användas för att skicka TCP/IP paketen och vilket tråd par som ska användas för att ta emot TCP/IP paketen. Denna funktion är bra när två switchar ska kopplas ihop, normalt skulle en korsad kabel behöva användas. Med Auto-MDIX förhandlar dom två switcharna om vilket par av kablar som ska användas för kommunikationen, vilket möjliggör bruk av standard kablar vid koppling mellan två switchar.

Oftast går Ethernet kommunikationen över "twisted-pair" kablar. Men det finns tillfällen när kommunikationen bör gå via fiberoptiska kablar. Denna typ av kablar används när signalen behöver transporteras över stora avstånd, mer än 100m. Dom flesta fiberoptiska utrustningar kan kommunicera mer än 15km med full duplex inställning. Fiberoptiska kablar används också i miljöer med mycket störningar, då påverkas inte kommunikationen av elektriska och magnetiska fält.

Administrerbar eller Ej Administrerbar
En nyckel fråga vid val av Industriella Ethernet Switchar är om man ska välja administrerbar eller ej administrerbar switch. En administrerbar switch har support för SNMP (Simple Network Management Protocol). Självklar så har dom flesta administrerbara switchar funktioner som sträcker sig lång bortom SNMP, men dom är också generellt dyrare än ej administrerbara switchar.

En administrerbar switch tillåter dig att ta kontrollen över ditt nätverk. Medan en
ej administrerbar variant enkelt sagt bara tillåter olika utrustning att kommunicera med varandra. Vid anslutning av en Ethernet utrustning till en ej administrerbar switch så kommer den troligen att sköta allt helt automatiskt. Det kommer att finnas LED lampor som informerar om "link activity" men det är i stort sätt allt du får.
På en administrerbar switch kommer du att hitta samma LED lampor men med möjlighet för nätverksadministratör att justera kommunikations parametrar. Olika typer av övervakning av nätverkets beteende är också möjligt.

Tex. kan man i ett system som kommunicerar i en störande miljö vinna mycket på att tvinga nätverket att kommunicera med 10Mbps. Nyttan med detta är att störningar i kablarna som normalt skulle förvirra "auto-negotiation" processen nu ej ställer till skada i systemet. Dom flesta administrerbara switchar tillåter inställning av data hastighet individuellt på varje port. Normalt måste en administrerbar switch användas där olika inställningar önskas på olika portar.

En administrerbar switch erbjuder olika typer av nätverks statistik via SNMP. Statistiken innehåller bl.a. Information om antalet bytes och antalet paket som skickats/tagit emot, antal fel och port status visad för varje port. En del switchar kan man också logga in på via en standard Web browser, där finns all data och statistik tillgänglig.

Avancerade funktioner
QoS är möjligheten för switchen att tilldela en högre prioritet till ett vist TCP/IP paket. En switch kan använda porten som ett paket anländer via för att bestämma prioriteten (port QoS). Eller så kan switchen använda en prioritets "tag" för varje paket (IEEE 802.1 och 802.1Q).

Trunking är två eller flera portar som grupperas för att utgöra en logisk koppling. Det kan användas för att öka bandbredden mellan två switchar. Ibland kan också dessa kopplingar erbjuda viss redundans. Tex. om två stycken 100Mbps switchar kopplas ihop med två kablar så kan bandbredden bli 200Mbps.

VLAN funktionen tillåter en switch att logiskt gruppera olika utrustning, och att isolera trafik mellan dessa grupper även om all utrustningen delar samma switch. Tex. om en switch används för både kontors och fabriks kommunikation, så kan två olika VLAN skapas för att isolera kontors data från fabriks kommunikationen.
En del switchar tillåter också att en utrustning är del av multipla VLAN’s - ibland kallas detta överlappande VLAN’s. Det här kan användas när tex. en SCADA utrustning ska fungera i ett system. Kommunikation med både kontors och fabriks nätverket kan då vara nödvändig. Nettoeffekten är att trafiken isoleras mellan återstående kontors och fabriks utrustning men tillåter den specifika SCADA utrustningen att kommunicera på båda nätverken.

Port mirroring. Trafik isolerings fördelarna med att använda en switch i stället för en hub kan bli en nackdel vid försök att hitta kommunikations problem. En switch kan bara skicka paket till utrustning som är inblandad. Detta är till hjälp när man vill undvika trafikstockning. Men om du vill se alla paket som skickas i ett nätverk så är denna funktion ett problem. Många administrerbara switchar har en funktion som kallas "port mirroring" vilket gör att en port på switchen kan övervaka trafiken som skickas/tar emot på en eller varje port i switchen. Med denna funktion kan en PC med ett Protocol Analyser program fånga upp trafiken på switchen. Protocol analyser är populära problem lösnings verktyg för Ethernet baserade nätverk.

Fault Relay. Många switchar erbjuder "fault relay" som på svenska kan översättas till fel relä. Funktion är för att övervaka link status på specifika portar eller kraft status på en switch. Dessa relä kontakter kan sedan anslutas till en PLC eller annan liknande kontroll utrustning som har en anslutning till kontrollsystemet. Detta är mycket användbart om kontrollsystemet ska larmas vid fel på kommunikationen mellan utrustning i nätverket eller om strömförsörjningen till en switch har upphört.

IGMP Snooping. I ett Ethernet nätverk finns det tre typer av paket: Brodcast paket som skickas till all utrustning i hela nätverket; direkta paket som går till specifik utrustning; och mulicast paket som skickas till en eller flera utrustningar i nätverket.
En del Ethernet protokoll använder Multicast paket för att skicka data till multipla utrustningar på en och samma gång. Dessa protokoll genererar stora mängder Multicast trafik. Switchar med IGMP snooping kan automatiskt skicka Multicast paket men endast till utrustning som har begärt det. Detta gör att Multicast trafiken inte överbelastar ej relevant utrustning. Denna typ av Multicast filtrering kan vara mycket viktig i stora Ethernet/IP nätverk.

Redundans
Redundans är en populär funktion på administrerbara switchar, om en inkopplad kabel skulle fela så kommer en eller flera andra kablar automatiskt att ta över.
Tiden det tar för denna omkoppling kallas "recovery time". Det finns två populära standarder för denna typ av IEEE redundans. Spanning Tree Protocol (RSTP) och STP (IEEE 802.1D) som är ett äldre långsammare protokoll. RSTP är ett nyare protokoll som har en recovery time på 1-2s (30-60s för STP).
På grund av dessa långa recovery tider så har mänga industriella switch tillverkare skapat egna proprietära protokoll. Dessa kan generellt klara recovery time under 300ms. I dessa nätverk är switcharna kopplade i en ring topologi. Generellt så bestämmer protokollet vilken switch till switch länk som ska vara bortkopplad. Detta är backup länken. När en annan switch till switch länk felar så kopplas backup länken in på mindre än 300ms.

Varje redundans metod har sina för och nackdelar. STP och RSTP kan kopplas i en ring i alla tänkbar kombinationer. Det finns många olika tillverkare som säljer switchar som har stöd för STP och RSTP. Tyvärr så är det en gammal och långsam teknik.
Dom proprietära ring protokollen måste vara kopplade i en eller flera ring topologier. Alla switchar måste också vara från samma tillverkare. Prata med switch leverantörerna om era behov av recovery time.

Miljö behov
Det är här som dom industriella Ethernet switcharna verkligen differentierar sig från kommersiella varianter. Industriella switchar är designade för miljöer där vanliga standard switchar dör. Detta kan inkludera extrema temperaturer, hårda vibrationer och allvarliga störningar. Eftersom normala kommersiella miljöer ofta är i rumstemperatur så är dom flesta standard switchar designade för smala temperatur områden. En del kommersiella standard switchar har är ibland utrustande med fläktar för att hjälpa till att kyla enheten. Detta kan vara ett problem i många industriella miljöer eftersom det finns mycket damm som sugs in i switchen samt att många fläktar har ett dåligt MTBF. Kommersiella switchar förväntas också att operera i en miljö med låga elektriska störningar, vilket inte är fallet i många industrilokaler.
Kommersiella switchar är designade för att klara dom EMC krav som ställs i kontors och affärslokaler. Industriella switchar är designade för dom mer industriella EMC kraven.

Miljö krav kan också vara så enkla saker som hur man önskar montera switchen, eller vilken typ av kraftaggregat som behövs.
Dom flesta kommersiella switchar är designade för 19" rack montering eller bordsmontering, men det är ofta inte ok i många industriella applikationer. Där behövs det DIN skena eller panel montering. Många kommersiella switchar levereras med ett väggmonterat kraftaggregat. Dessa kan ofta vara svåra att installera i industriella miljöer, samt att vibrationer kan göra att kraft kontraktering inte fungerar.

Framtids säkert
Hur framtids säkrar du ett system? Låt oss säga, som ett exempel, att ett litet system blev driftsatt med hjälp av en ej administrerbar switch. Detta kan till att börja med vara en acceptabel lösning. Men när fler och fler nätverks utrustningar ansluts så blir behovet av en administrerbara switch mer uppenbart. När du ansluter mer utrustning så kan QoS vara användbart för att hjälpa till att prioritera IP paketen pga. den ökade trafiken. Du kan också använda VLAN’s för att hjälpa till att isolera utrustningar och öka antalet nätverks noder. Framtida nätverksprotokoll kan mycket väl kräva QoS standarder som t.ex. 802.1p/802.1Q..

Om en övergång till Ethernet/IP nätverk är en framtida tänkbarhet, så kan det vara bra att välja en switch med stöd för IGMP snooping. Det är möjligt att det initiala nätverket är litet och isolerat från andra nätverk och att behovet av IGMP snooping inte finns. Med tiden kan det bli önskvärt att kunna samköra det isolerade nätverket med företagets huvud nätverk. En switch med IGMP snooping kan hjälpa till att blockera och släppa fram önskad trafik mellan nätverken.

Peter Fredriksson är säljingenjör på Elektronix
Tel. 08 556 775 55
Mail: peter.fredriksson@elektronix.com