skip to: page content | links on this page | site navigation | footer (site information)

Die Auswahl von Switches

Die Auswahl eines geeigneten Switches für ein Industrial Ethernet kann eine anspruchsvolle Aufgabe sein. Viele Fragen stellen sich besonders beim Thema "Ethernet und Echtzeit-Steuerung": Managed oder unmanaged Switch, Multicast-Unterstützung, Priorisierung, Redundanz, VLANs? Auf dieser Seite finden Sie wichtige Tipps für die Auswahl eines geeigneten Switches in Verbindung mit EtherNet/IP.

Warum kein Hub?  

Ein Ethernet Hub ist ein einfacher Multiport Repeater (ohne Intelligenz) zur Verbindung von Ethernet-Geräten untereinander. Alle angeschlossenen Geräte teilen sich die verfügbare Bandbreite ("shared" Ethernet). Es kann immer ein nur ein Gerät senden, alle anderen Geräte hören Bit für Bit mit und warten, bis die Leitung (der Hub) wieder frei ist. Bei schwach belasteten Netzen ist das in Ordnung, aber je höher die Netzlast, um so größer die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen (und damit Verzögerungen). Ein Hub ist sehr schnell, da er keine Pakete speichern und weiterleiten muss. Da man aber nicht immer garantieren kann, wie stark ein Netz später belastet wird, lässt sich die Performance auch nicht garantieren, und daher wird meist davon abgeraten, Hubs in Verbindung mit Steuerungsanwendungen am Ethernet einzusetzen.
Was macht ein Switch?  
Als "Switch" bezeichnet man einen Switching Hub, der dank seiner Intelligenz lernt, an welchen Ports welche Geräte angeschlossen sind. Jedes Ethernet-Frame wird vom Switch bezüglich der enthaltenen Zieladresse untersucht und an das richtige Port weitergeleitet. Dadurch sinkt die Netzwerkbelastung, weil Kollisionen vermieden werden ("Switched" Ethernet, kollisionsfrei im Fullduplexbetrieb). Die meisten Switche arbeiten meist nach dem "store-and-forward"-Prinzip, d.h. sie speichern den Frame, prüfen die IP-Adresse und leiten den Frame an das richtige Port weiter. Das kostet zwar einige Mikrosekunden, bringt aber zeitliche Vorteile bei höherer Netzlast, da der Switch seine ganze Bandbreite jedem Kanal zur Verfügung stellt, d.h. die Geräte müssen nicht mehr auf andere warten.


Worauf ist beim Switch besonders zu achten?  
  • Die allgemeinen Leistungsmerkmale: Datenrate min. 10/100 Mbps mit Auto-Negotiation, Full-Duplex auf allen Ports, genügend Durchsatz zum Betrieb aller Ports mit maximaler Speed (full wire speed switching fabric), mehrere Priority-Queues zur Bevorzugung zeitkritischer Pakete, Diagnosefähigkeit mit Meldekontakt, Port Mirroring für Diagnosezwecke, Port Security Funktionen zur Erhöhung der Zugriffssicherheit - diese Eigenschaften sind generell wünschenswert, unabhängig davon, wo der Switch eingesetzt wird.
  • Der Einsatzbereich: Reine Informationsnetzwerke mit EtherNet/IP ohne zeitkritische Steuerung- und E/A-Verbindungen stellen keine besonderen Anforderungen an den Switch. In EtherNet/IP-Steuerungsnetzwerken mit verteilter E/A-Peripherie sind jedoch Switches mit Multicast-Eigenschaften zu empfehlen, zumindest bei größeren Netzwerken, um die zyklischen I/O-Multicast-Nachrichten nicht unkontrolliert im Netz zu verteilen (siehe auch IGMP Snooping).

Managed oder unmanaged?  
  • Ein Managed Switch bietet erweiterte Funktionen, die besonders für größere Netzwerke sehr hilfreich sind, beispielsweise lässt er sich als eigenständiges Gerät mit IP-Adresse im Netzwerk identifizieren und ansprechen, er unterstützt Multicast-Protokolle wie IGMP, Networkmanagement via SNMP, erlaubt die Aufteilung in unabhängige Domänen mittels virtueller Teilnetze (VLANs), er liefert wertvolle Diagnoseinformationen, er kann (muss aber nicht) konfiguriert werden.
  • Ein Unmanaged Switch zählt zu den reinen Layer-2-Switches (entry level), er kostet wesentlich weniger, er ist einfacher und lässt sich im Netzwerk nicht als eigenständiges Gerät ansprechen, wird auch nicht konfiguriert (Vorteil beim Gerätetausch). Aber Vorsicht: Setzt man Unmanaged Switches beim EtherNet/IP in Netzwerken mit Echtzeit-I/O-Verkehr ein, so muss man verstehen, dass die Multicast-Nachrichten für bestimmte Adressenkreise bei diesem Typ von Switch ungefiltert auf allen Ports ausgesendet werden (per Broadcast), was die Netzlast erhöht.
  • Häufig kombiniert man beide Arten von Switches in sinnvoller Weise: Auf der untersten Ebene, der sog. Feld-Geräte-Ebene, findet man häufig Unmanaged Switches (als "Geräteswitch"); dabei nimmt man in Kauf, dass in dieser unteren (begrenzten) Domäne der I/O-Multicast-Traffic sich fortpflanzen kann. Auf der nächst höheren Ebene ist dann aber ein Managed Switch (als "Linien-Switch") dafür verantwortlich, den Multicast-Traffic abzufangen und die Multicast-Domänen einzugrenzen.

Wozu eigentlich IGMP Snooping?  
  • Die erste Frage lautet zunächst: Wozu Multicast? Grundsätzlich sind Multicast-Sendungen (ein Sender an mehrere Empfänger) effizienter als Unicast-Nachrichten (ein Sender / ein Empfänger), sie erlauben mit einer einzigen Nachricht mehrere Geräte zeitgleich zu adressieren (synchron), anstatt n Nachrichten nacheinander an diese Geräte zu schicken (asynchron). EtherNet/IP als Producer/Consumer-basiertes Netzwerk benutzt Multicast nur bei den so genannten impliziten Nachrichten / Verbindungen (E/A, Produce/Consume Tags), alle expliziten Nachrichten zwischen zwei Geräten nutzen Unicast.
  • IGMP (Internet Group Message Protocol, RFC 2236) wird von Hosts benutzt, um die Teilnehmerliste für Multicast-Gruppentelegramme im Netz bekannt zu machen. Routers & geeignete Switches lernen beim Empfang von IGMP Membership Requests, welche ihrer angeschlossenen Geräte zu einer spezifischen Multicast-Gruppe gehören. Wenn sie dann ein Multicast für eine solche Gruppe empfangen, leiten sie die Nachricht nur an den entsprechenden Ports weiter, die zu dieser Multicast-Gruppe gehören, die anderen Ports sehen diese Nachrichten nicht. Dieses Multicast-Filtering ist umso wichtiger, je größer die EtherNet/IP-Netzwerke sind.
  • Was passiert, wenn ein Gerät umgesteckt wird auf einen andern Port am Switch? Dann würde der Switch Multicast-Nachrichten zum falschen Port schicken, und das betreffende Gerät würde keine Multicast-Nachrichten mehr empfangen! Um das zu vermeiden, verlangt IGMP Snooping, dass ein (1) zentrales Gerät (Switch, Router, etc.) zyklisch alle Endgeräte auffordert, ihre Multicast-Gruppenzugehörigkeit bekanntzugeben - dieses zentrale Gerät ist der IGMP Querier. Die zurück kommenden Antworten auf solche Querier-Anfragen (IGMP Reports) veranlassen die Switches, ihre Membership-Listen entsprechend zu aktualisieren.
  • Wenn kein Multicast-Filtering à la IGMP vorgenommen wird, werden Multicast-Telegramme auf allen Ports herausgegeben. Bei größeren Netzwerken mit kaskadierten Switches entsteht so eine unnötig hohe Netzlast in der Domäne, schlimmer noch: einige Geräte werden möglicherweise überfordert, wenn sie permanent auf Multicastverkehr reagieren müssen, der nicht für sie bestimmt ist.
  • Mehr Information zu IGMP Snooping hier.

VLAN - ja oder nein?  

Ein VLAN (Virtuelles LAN) ist eine Gruppe von Netzknoten, die in einer autonomen, sicheren Domäne zusammengefasst sind. Kein Multicast- oder Broadcastverkehr ist in das VLAN hinein oder heraus möglich. Die Zugehörigkeit zu einem VLAN hängt nicht von der geografischen Lage des Netzknoten ab. Sie ist ausschliesslich durch Softwarekonfiguration in den Switches bestimmt und kann leicht geändert werden, wenn ein Knoten einer neuen Arbeitsgruppe zugeordnet werden soll. Vorteile und Nachteile von VLANs:

  • Vorteile: a) Durch die Eingrenzung der Broadcast-Domänen sinkt die Netzbelastung bei Broadcasts, dadurch kann die Performance gesteigert werden. b) Die Datensicherheit (Security) wird verbessert, weil der Zugriff von außen erschwert wird. Große Broadcast-Domänen sind zu vermeiden!
  • Nachteile: a) Switches müssen projektabhängig konfiguriert werden. Die Konfiguration von Switches ist fehleranfällig und erfordert geschultes Personal. b) Beim Switch-Austausch im Fehlerfall muss man sicherstellen, dass die gleiche Konfiguration wieder übernommen wird.

Switches kaskadieren?  
Switches lassen sich kaskadieren (d.h. in Reihe schalten), um mehr Ports zu haben oder größere Entfernungen zu überbrücken. Aber nicht beliebig oft, da die Store&Forward-Funktion des Switches die Weiterleitung verzögert (ein Paket muss erstmal gelesen werden, bevor es wieder verschickt wird). Die maximalen Switch-Verweilzeiten addieren sich im Worst Case Fall (bei 100 Mbps beträgt die Laufzeit eines maximalen Ethernet-Frames 122 Mikrosekunden, und selbst bei Cut-Through-Switches liegt die Verweilszeit noch bei 10 Mikrosekunden). Bei Steuerungsnetzwerken muss man also wissen, wieviel Verzögerung die Applikation noch tolerieren kann. Die maximale Anzahl an kaskadierten Switches hängt also von der Applikation und vom Switch ab - als Daumenregel kann man sich ein Maximum von 10 kaskadierten Switches merken (sonst sind Verzögerungen im Millisekundenbereich zu erwarten).
Wozu dienen Router?  
Während Switches den Link Layer gemeinsam nutzen, trennen Router die Link Layer auf. Ein Router übersetzt zwischen verschiedenen Netzen. Router werden häufig dazu verwendet, das Produktionsnetz vom IT-Netz zu trennen. Da der Router eine Adressübersetzung (NAT, Network Address Translation) durchführt, sind die IP-Adressen der Teilnehmer im Produktionsnetzwerk auf der anderen Seite des Routers (im IT-Netzwerk) nicht sichtbar - eine wichtige Security-Funktion. Außerdem habe die meisten Router konfigurierbare Filterregeln für das Durchleiten von Nachrichten (Firewall).


E/A- und Office-netzwerke  

Trennung der Layer 2 Switches von Büro und Produktion - diese Empfehlung sollte unbedingt berücksichtigt werden, um gegenseitige negative Beeinflussungen auszuschließen, die Sicherheit zu erhöhen, die Netzlast zu reduzieren, die Verfügbarkeit zu erhöhen - und die IT-Abteilung nicht zu provozieren (das würde bei zyklischen E/A-Verkehr mit Multicast-Telegrammen schnell zu Verzögerungen oder Störungen auf dem Office-Netz führen). In einem industriellen Netzwerkverbund über nehmen Router (mit Firewall) in der Regel diese Trennung von Büro- und Produktionsnetzwerk.
Eine andere Möglichkeit der Trennung zwischen Informationsnetz und E/A-Steuerungsnetz ohne Router lässt sich mit Steuerungen realisieren, die mehrere Ethernet-Interfaces aufnehmen können (z.B. ControlLogix von Rockwell Automation). Hier wird ein Interface ans Informationsnetzwerk angeschlossen und das andere zur Steuerung (E/A-Traffic etc.) benutzt; so werden die E/A-Nachrichten sicher vom Büronetz abgeschirmt.
QoS  
Quality of Service: So bezeichnet man die Eigenschaft eines Switches, der in der Lage ist, bestimmte Frames mit erhöhter Priorität zu behandeln. Ein Switch kann zum Beispiel anhand des Ports, wo das Frame empfangen wurde, die Frame Port Priorität bestimmen (Port QoS) oder ein bestimmtes Merkmal im Frame abfragen, um seine Prioritätsklasse zu bestimmen (IEEE 802.1p und 802.1Q). Diese Eigenschaften sind wichtig in Netzen mit Echtzeit-Aufgaben, um den Determinismus zu erhöhen. EtherNet/IP verwendet Prioritätsmerkmale nach IEEE 802.1Q.


Redundanzkonzepte   Viele managed Switches können so miteinander verbunden werden, dass beim Ausfall einer Kabelstrecke automatisch eine andere gewählt wird, innerhalb einer gewissen Zeit, "recovery time" genannt. Genormt sind sogenannte Spanning Tree Verfahren nach IEEE Standards 802.1D (STP, Spanning Tree Protocol) und 802.1w (RSTP, Rapid Spanning Tree Protocol). Interessant für die Automatisierung ist RSTP, seine Recovery-Zeit liegt zwischen 1 und 2 Sekunden (STP: 30 bis 60 s). Mit STP und RSTP können Switches in beliebigen Topologien aufgebaut werden.
Wegen dieser relativ langen Recovery-Zeiten haben einige Switch-Hersteller proprietäre Ringredundanzprotokolle entwickelt, deren Recovery-Zeit unter 300 ms liegt. Zu den bekanntesten Lösungen zählt der Hirschmann HIPER-Ring, bei dem die Switches über ihre Ringports mittels LWL miteinander gekoppelt werden. Ein Switch in diesem Verbund übernimmt das Redundanzmanagement, um zu verhindern, dass Telegramme "kreisen".
Vergabe von bestimmten IP-Adressen  

Um im Ethernet-Netzwerk kommunizieren zu können, benutzen die Teilnehmer IP-Adressen, die von einem DHCP-Server bei der Geräteanmeldung zugewiesen werden (der DHCP-Server benutzt hier in der Regel feste Adresszuordnungen, d.h. zu einer MAC-ID gehört eine eindeutige festgelegte IP-Adresse). Das funktioniert solange gut, bis ein Teilnehmer ersetzt wird durch ein Ersatzgerät (mit anderer MAC-ID); hier muss man also dem DHCP-Server mitteilen, dass die bisher benutzte IP-Adresse zu einer neuen MAC-ID gehört. Problem ist hier der notwendige Konfigurationsaufwand, der den Austausch von Komponenten erschwert. Einige Switche unterstützen einen Trick zur automatischen Vergabe der festgelegten IP-Adresse, die sog. " DHCP-Option 82". Hier kann im Switch per Konfiguration festgelegt werden, dass ein anzumeldendes Gerät an einem bestimmten Port immer eine eine bestimmte, vorgegebene IP-Adresse von DHCP-Server zugewiesen bekommt (abhängig von Geräte-ID, Switch und Portnummer) - damit wird echtes "Auto-Device-Replacement" möglich (ähnlich Plug and Play). Dies ist z.B. eine wichtige Funktion für den Geräteaustausch ohne Neukonfigurieren und für manche Docking-Anwendungen.