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Aufbau industrieller Netzwerke (Teil 1)

Skalierbare Switching- und Routing-Funktionen

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Layer-2-Redundanz

Große Netze wecken das Bedürfnis nach hoher Verfügbarkeit. Ein Mittel zu diesem Ziel sind redundante Wege. Durch das Weiterleiten von Ethernet-Telegrammen in Switchen entstand nun eine neue Situation. Denn im ursprünglichen Ethernet gab es keine Komponenten zur Weiterleitung, sondern nur ein gemeinsames Kabel. Erst durch die Einführung zusätzlicher Komponenten konnten Topologien wie Schleifen entstehen. Ein Protokollfeld, das die Lebensdauer des Paketes über mehrere Weiterleitungen definiert, existiert aber nicht. Als Folge führt eine Netzwerkschleife in einem Switched-Ethernet dazu, dass das Netzwerk auf Grund von endlos vervielfältigten und kreisenden Broadcast-Telegrammen kollabiert. Layer-2-Switching-Netze mit redundanten Pfaden können nur funktionieren, wenn es Mechanismen zur schleifenfreien Zustellung der Pakete gibt. Dazu wurden verschiedene Protokolle standardisiert, darunter das ‚Spanning Tree Protokoll‘ (STP) nach IEEE 802.1D-2004 sowie das ‚Media Redundancy Protocol‘ (MRP) nach IEC 62439-2 2010. STP ist dafür ausgelegt, in einer Topologie schleifenfreie Weiterleitungswege, den ‚Tree‘, zwischen allen Switchen zu finden.

Redundante Wege werden nicht zur Kommunikation genutzt, solange kein Fehlerfall eintritt. Trotz Weiterentwicklungen wie RSTP und MSTP ist im Fehlerfall für die Rekonvergenz in der Regel mit Zeiten im Bereich von einigen Sekunden zu rechnen. Für den Fall, dass die Topologie bekannt ist, können auch Rekonvergenz-Zeiten von unter einer Sekunde erreicht werden. Jede Topologieänderung erfordert aber eine Neubetrachtung. MRP dagegen entstand durch Anforderungen im industriellen Bereich und ist speziell für Ringstrukturen ausgelegt. Hierbei können Umschaltzeiten von unter 200 Millisekunden erreicht werden. Dennoch bestehen all diese Layer-2-Topologien immer noch aus einer Broadcast-Domäne. Da Broadcast-Telegramme von allen Endgeräten gelesen werden müssen, gilt es hohe Grundlasten zu vermeiden. Zudem kann bereits ein defektes Endgerät die Domäne erheblich stören. Um Netze logisch zu strukturieren und stabiler zu gestalten, sind daher Layer-3-Geräte, also Router, erforderlich.

Modulare Lösungen gefragt

Für performante Layer-2-Netze kann mit modularen Switches eine Investition nach Bedarf erfolgen, indem nur aktuell benötigte Funktionen zum Investitionszeitpunkt bezahlt werden. Die modularen Switches aus der Produktfamilie Scalance XM-400 orientieren sich optisch an den Simatic S7-1500-Steuerungen und unterstützen flexible Erweiterbarkeit: Sei es, dass sich mehr Geräte im Netzwerk befinden, höhere Übertragungsraten notwendig werden, Power-over-Ethernet benötigt wird oder die Überbrückung größerer Distanzen Lichtwellenleiter erfordert. Auf diese Weise können Switches langfristig weiterverwendet werden. Durch eine Kombination von elektrischen Ports und Steckplätzen für ‚Small Form-factor Pluggables‘ (SFP) können sowohl elektrische als auch optische Übertragungsmedien angeschlossen werden. Diese Comboports bestehen aus je einem Paar von RJ45- und SFP-Steckplatz. Ist ein SFP gesteckt, wird der zugehörige elektrische Port deaktiviert. Die Architektur des Switches unterstützt acht beziehungsweise 16 Ports, unabhängig vom angeschlossenen Medium. Außerdem kann die Hardware über angesteckte Port Extender erweitert werden. Dadurch ist es möglich, insgesamt 24 Ports mit Gigabit-Übertragungsraten in einem Switch bereitzustellen. Die Umstellung kann im laufenden Betrieb ohne Werkzeugeinsatz erfolgen.

Auf Layer 3 erweitern

Üblicherweise lässt sich ein überschaubares Netzwerk als Layer-2-Struktur betreiben, bei steigender Teilnehmerzahl wird jedoch die Notwendigkeit einer tieferen Strukturierung größer. So kann es für den Anwender eine attraktive Möglichkeit darstellen, Layer-3-Funktionen nach Bedarf nachzurüsten. Die Produktfamilie bietet auch diese Möglichkeit, dazu erfolgt die Freischaltung zusätzlicher Layer-3-Funktionen mit einem Key-Plug, der im Switch gesteckt wird und dann die Funktionen zur Verfügung stellt. IT-Fachkräfte sind es bei der Konfiguration gewohnt, das vorhandene ‚Command Line Interface‘ (CLI) zu nutzen. Durch ein zusätzliches ‚Web Based Management‘ (WBM) wird mit einem Web-Browser die Konfiguration des Switches einfach dargestellt, um Anpassungen zu erleichtern. Auch für mobile Geräte mit eher kleinen Displays wie Smartphones und Tablets gibt es eine angepasste Darstellung, das sogenannte Mobile WBM. Dabei kann der Anwender außerdem durch eine integrierte ‚Near Field Communication‘-Schnittstelle (NFC) im Switch mit einem Smartphone oder Tablet, das diese Schnittstelle ebenfalls enthält, die IP-Adresse des Switches berührungslos auslesen. Ist das Smartphone mit einem ‚Wireless Local Area Network‘ (WLAN) verbunden, in das auch der Switch eingebunden ist, kann dann sofort das mobile WBM gestartet werden.

 

Der zweite Teil des Artikels adressiert weitere Herausforderungen bei Customizing-Maßnahmen. Im Mittelpunkt stehen aber auch Ansätze, wie sich durch den Rückgriff auf PLM-Lösungen mit modellbasierter Software-Architektur Systemanpassungen vergleichsweise effizient vornehmen lassen können.


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