При построении сетей Ethernet используются различные классы коммутирующего оборудования. Отдельно стоит выделить неуправляемые коммутаторы – простые устройства, позволяющие быстро и эффективно организовать работу небольшой Ethernet-сети. В данной статье приводится подробный обзор неуправляемых промышленных коммутаторов начального уровня серии EKI-2000.

Введение

Ethernet уже давно стал неотъемлемой частью любой промышленной сети. Этот стандарт, который пришёл из IT-индустрии, позволил перейти на качественно новый уровень организации сети. Увеличились скорости, повысилась надёжность, появилась возможность централизованного управления сетевой инфраструктурой. Не заставили себя долго ждать и создатели протоколов передачи данных. Практически все основные промышленные протоколы, такие как Modbus TCP, EtherNet/IP, IEC 60870-5-104, PROFINET, DNP3 и т.д., используют в качестве основы идентичную или приближённую модель OSI. Полезные данные (payload) помещаются во фрейм и передаются по Ethernet-сети. Почти каждый современный контроллер, интеллектуальный датчик или панель оператора оснащены Ethernet-интерфейсом для возможности подключения в одноимённую сеть. Это означает, что теоретически для промышленной сети можно применить стандартные Ethernet-устройства, которые можно найти в корпоративной, офисной и даже домашней сети. Однако на практике уже давно сформировался большой класс устройств, который предназначен для работы именно с сетями типа Industrial Ethernet. В него входят сетевые устройства, адаптированные для работы именно в промышленной среде, обеспечивающие надёжность, минимальные уровни задержек, а также соответствующие различным промышленным стандартам, которые предъяв­ляет та или иная отрасль. При этом основной «боевой» единицей, как правило, выступает промышленный Ethernet-коммутатор. Это связано с тем, что коммутатор – устройство, которое позволяет осуществить надёжное и, главное, быстрое взаимодействие между компонентами и узлами промышленной сети.

Коммутатор – оптимальное решение для промышленной сети

Промышленный коммутатор, или свитч (switch) является основным устройством, которое используется для построения промышленной сети. Почему именно коммутатор? Ведь есть и другие сетевые устройства, например концентратор (хаб, hub) или маршрутизатор (роутер, router). Всё связано с быстродействием и функциональностью. Самым быстродействующим устройством из перечисленных является концентратор, какое-то время назад этот тип устройств был очень популярен из-за невысокой цены. Фактически концентратор – это многопортовый повторитель, он работает на физическом уровне согласно сетевой модели OSI и ретранслирует полученные данные на все подключённые порты.

С одной стороны, такая схема позволяет обеспечить минимальные задержки в сети, но с другой стороны, возрастает нагрузка на сеть, так как трансляция при такой реализации получается широковещательной. Это зачастую приводило к резкому падению производительности сети. Маршрутизатор, в свою очередь, – устройство, которое работает на сетевом уровне согласно модели OSI и обладает очень богатой функциональностью, позволяющей обеспечить построение маршрутов передачи трафика. Подобная функциональность требует более высокой производительности устройства, так как происходит анализ информационного пакета, начиная от заголовка 3-го уровня модели OSI и выше. В итоге задержки становятся больше, так как реализация на маршрутизаторах в большинстве случает программная, цена, естественно, выше, да и подобная функциональность востребована на уровне ядра сети.

В итоге наибольшее распространение в промышленных Ethernet-сетях получили именно коммутаторы, при этом разного уровня и функциональности. Коммутатор представляет собой более интеллектуальное устройство, чем концентратор, и более быстрое, чем маршрутизатор, так как функционирует на канальном уровне согласно модели OSI. Трафик чётко распределяется и направляется сразу к адресату, что исключает лишнюю нагрузку на сетевое оборудование, позволяя другим сегментам не обрабатывать данные, которые предназначены не им. Это обеспечивается за счёт анализа MAC-адресов отправителей и адресатов, которые содержатся в каждом передаваемом фрейме данных. Такая коммутация позволяет достичь минимальных задержек при распределении трафика, сохраняя приемлемый уровень цены.

В своей памяти коммутатор содержит таблицу (CAM-table), где указывается соответствие MAC-адреса узла и физического порта коммутатора, что как раз и обеспечивает снижение нагрузки на сеть, так как коммутатор точно знает, на какой порт пересылать пакет данных. Однако стоит учитывать, что когда коммутатор включают либо перезагружают, он работает в обучающем режиме, так как таблица соответствия пуста. В таком режиме данные, которые приходят на коммутатор, рассылаются на все остальные порты, а коммутатор проводит анализ и заносит в таблицу MAC-адрес отправителя. Со временем трафик локализуется, так как коммутатор составляет полную таблицу соответствия MAC-адресов всех портов.

Сейчас многие производители сетевого оборудования для промышленных сетей предлагают именно коммутаторы как устройства для обеспечения взаимодействия между узлами сети. В портфолио имеются коммутаторы различной функциональности, как правило, выделяют неуправляемые, управляемые и коммутаторы уровня L3. И если L3-коммутаторы применяются как альтернатива маршрутизаторам на уровне ядра сети и с их выбором связаны только узкоспециализированные вопросы, то выбор между управляемым и неуправляемым коммутатором сводится к правильному определению задач, которые должно решать сетевое устройство. Далее рассмотрим базовые различия между управляемыми и неуправляемыми коммутаторами.

Управляемый и неуправляемый коммутаторы

Управляемый и неуправляемый коммутаторы – это фактически два разных устройства, которые функционируют на уровне L2 модели OSI. Неуправляемый коммутатор предназначен для автоматического равномерного распределения скорости и передаваемого трафика по всем участникам сети. Это оптимальное решение для сетей с небольшим количеством оконечных устройств, из преимуществ можно выделить:

• обеспечение высокой пропускной способности Ethernet-сети;
• небольшое время отклика;
• простота управления;
• наличие дополнительной функциональности по управлению потоком данных.

Управляемый коммутатор имеет более высокую стоимость, применяется для крупных сетей и имеет возможность полного управления передаваемым трафиком, скоростью, а также обладает дополнительными возможностями управления. Фактически это оптимальное решение для участков сети, где необходима дополнительная функциональность по сегментированию, резервированию, информационной защите и т.п. В отличие от неуправляемого коммутатора управляемый необходимо конфигурировать путём задания ряда дополнительных и обязательных настроек.

Неуправляемые коммутаторы – это устройства типа Plug and Play, не требующие сложной настройки и глубоких знаний. Они позволяют быстро организовать обмен между оборудованием в Ether­net-сети без дополнительных настроек. Эти коммутаторы позволяют Ethernet-устройствам взаимодействовать друг с другом (например, ПЛК и HMI), обеспечивая соединение с сетью и передавая информацию адресату от отправителя. Они поставляются с фиксированной конфигурацией и не допускают никаких изменений в настройках, поэтому нет необходимости расставлять приоритеты фреймов и осуществлять дополнительную настройку.

Неуправляемые коммутаторы в основном используются для подключения периферийных устройств к сетевым ответвлениям или в небольшой автономной сети с несколькими компонентами. В промышленных условиях необходимо использовать коммутаторы, адаптированные для конкретных нужд.

Промышленные коммутаторы разрабатываются для различных отраслевых применений, таких как электроэнергетика, нефтегазовая сфера, железнодорожный транспорт и инфраструктура и т.д. Они специально разработаны для эксплуатации в расширенном диапазоне температур, в условиях вибраций и ударов и способствуют созданию экономически эффективной и надёжной защищённой сети.

Коммутаторы Advantech серии EKI-2000

Промышленные коммутаторы Advantech серии EKI-2000 являются устройствами начального уровня и предназначены для быстрой организации взаимодействия устройств посредством создания Ethernet-сети. В настоящий момент в серию EKI-2000 включены более 25 уст­ройств, в таблице ниже приведена расшифровка номера для заказа.



При этом коммутаторы могут быть оснащены как портами типа RJ-45, так и оптическими портами для передачи данных по одномодовому и многомодовому оптоволокну, максимальная скорость при этом может достигать 1 Гбит/с.

Функциональность коммутаторов серии EKI-2000

Функциональность неуправляемых коммутаторов, как правило, не является чем-то экстраординарным. Однако давайте разберёмся, какие функции всё-таки находятся на вооружении коммутаторов Advantech серии EKI-2000.

Автоматическое определение типа соединения MDI/MDI-X

Эта функция позволяет подключать к коммутаторам любые типы Ethernet-устройств, не думая о типе кабеля: «прямой» (straight) он или перекрёстный (crossover).

Обычно для соединения сетевого адаптера с сетевым оборудованием уровня L2 (концентратором или коммутатором) используется «прямой» кабель. Для соединения двух идентичных сетевых устройств между собой или, например, сетевого адаптера с маршрутизатором, предписано использовать перекрёстный кабель. Наличие функции MDI/MDI-X позволяет использовать любой тип кабеля совместно с коммутатором.

Автоматическое определение типа сети (Auto-Negotiation)

Данная функция вслед за MDI/MDI-X относится к Plug and Play и позволяет автоматически определить тип сети и скорость передачи, предусмотренную стандартом Ethernet. На практике это особенно важно, так как в существующей сети может применяться оборудование с различными скоростными характеристиками, от 10 Мбит/с до 1 Гбит/c. Auto-Negotiation позволяет существенно облегчить жизнь пользователям сети. Устройство само «договорится» о скорости с граничным «Ethernet-соседом».

Защита от широковещательного шторма

Защита от широковещательного штор­­ма является также очень полезной функцией для коммутаторов. Широковещательный шторм, как правило, вызывается «петлями» в локальной сети либо неправильным поведением одного из участников сети. В таких случаях сеть будет заполнена большим количеством бесполезных фреймов, что отразится на её скорости.

Функция защиты от широковещательного шторма на коммутаторе автоматически отфильтровывает широковещательные фреймы. И когда широковещательный трафик превышает определённый порог, сеть по-прежнему остаётся работоспособной, так как коммутатор автоматически резервирует полосу пропускания для передачи обычных фреймов.

Функция защиты от широковещательного шторма на неуправляемых коммутаторах EKI-2000 включена по умолчанию. Подробную информацию о пороговых значениях для каждой модели необходимо уточнять на официальном сайте производителя.

P-Fail реле

Начнём с того, что большинство моделей серии EKI-2000 рассчитаны на диапазон входного напряжения питания 12…48 В постоянного тока. Вход дублирован и обладает защитой от переполюсовки, а также от перегрузки по току посредством самовосстанавливающегося предохранителя. На входе стоит компаратор напряжения, и при подаче напряжения на оба входа компаратор автоматически выбирает более высокое значение и делает данный вход основным. При пропадании напряжения на одном из входов либо при просадке его уровня ниже 12 В коммутатор автоматически переходит на второй канал и замыкает P-Fail реле. Данная функция позволяет контролировать состояние питающей сети коммутаторов и оперативно сигнализировать о нештатной работе.

Светодиодная индикация

Эта функция позволяет обеспечить оценку состояния коммутатора при его визуальном осмотре. Каждый порт передачи данных коммутатора серии EKI-2000 имеет два светодиода для отображения скорости передачи, статуса соединения и статуса возможной коллизии. Также имеются светодиоды, дублирующие P-Fail реле, которые одновременно срабатывают при обрыве одной из цепей питания.

PoE (Power-over-Ethernet)

На ряде неуправляемых коммутаторов серии EKI-2000 реализована функция Power-over-Ethernet. Она позволяет обеспечить питание удалённых устройств по стандарту IEEE 802.3af и IEEE 802.3at (PoE+), где в качестве питающей линии используется передающая линия на базе витой пары категории 5e и выше. В качестве питающей сети для данных коммутаторов рекомендуется использовать номинальное значение 53…57 В постоянного тока, чтобы исключить падение напряжения на линии.

Встроенная защита от электромагнитных помех и электростатических разрядов

Коммутаторы серии EKI-2000 имеют встроенную систему фильтрации для защиты от электромагнитных помех и от статического напряжения. По линии питания коммутатор может обеспечить работоспособность при кратковременных импульсных помехах с амплитудой до 3000 В постоянного тока, а также при электростатических разрядах на портах RJ-45 до 4000 В.

Конструктив

Абсолютно все коммутаторы серии EKI-2000 обладают прочным металлическим корпусом со степенью защиты IP30. Конструктивно серия EKI-2000 может быть выполнена в двух вариантах, это либо исполнение для монтажа на DIN-рейку, либо для монтажа в 19? стойку. Всё необходимое крепление идёт в комплекте. Также коммутаторы, которые предназначены для крепления на DIN-рейку, можно смонтировать на панель, крепление поставляется в комплекте.

Заключение

Промышленные неуправляемые коммутаторы – это устройства, адаптированные для работы именно в промышленной среде. Они обеспечивают надёжное и быстрое взаимодействие между Ethernet-узлами, при этом не требуют дополнительных настроек и конфигурирования. На данный момент неуправляемый коммутатор – простое бюджетное сетевое устройство, способное решить достаточно большое количество базовых задач, связанных с организацией обмена по Ethernet-сети. Настройка при этом не требуется, достаточно просто вынуть коммутатор из коробки и подключить все необходимые коннекторы.

Серия неуправляемых коммутаторов Advantech EKI-2000, относящаяся к описанному классу устройств, поддерживает широкий перечень важных и нужных функций, таких как автоматическое определение типа соединения MDI/MDI-X, автоматическое определение типа сети (Auto-Negotiation), защита от широковещательного шторма, PoE, защита от электромагнитных помех и электростатических разрядов и т.д. В совокупности все эти функции позволяют использовать EKI-2000 для решения базовых задач по организации взаимодействия между сетевыми и оконечными узлами.

Пример применения

Одним из клиентов Advantech является Китайская национальная нефтегазовая корпорация (CNPC). Чтобы расширить возможности передачи данных при одновременном снижении связанных с этим затрат, CNPC выбрала решение Advantech для мониторинга и управления месторождением нефти. Данные передаются через сотовую сеть с месторождения в центр управления. Маршрутизаторы BB-SL306 были установлены с коммутаторами EKI-2525I в шкафах рядом с насосными отсеками, обеспечивая сетевое подключение для полевого оборудования, такого как камеры, ПЛК, RTU и другие устройства.

Литература

1. An Introduction to Industrial Ethernet
2. 10 Questions to Ask Before Selecting an Ethernet Switch
3. EKI-2525 5-port 10/100Base-TX Industrial Unmanaged Ethernet Switch. EKI-2528 8-port 10/100Base-TX Industrial Unmanaged Ether­net Switch: User Manual

Автор – сотрудник фирмы ПРОСОФТ