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Skalierbare Switching- und Routing-Funktionen

Aufbau industrieller Netzwerke (Teil 1)

Skalierbare Switching- und Routing-Funktionen

Die Verbreitung des Ethernet-Standards findet auch in industriellen Netzen scheinbar keine Grenzen. Doch mit der ursprünglichen Definition von Ethernet haben die heute benutzten Mechanismen und erforderlichen Strukturen nicht unbedingt zu tun. Dabei steht die Frage im Raum, ob ein Layer-2-Netzwerk eine logische Struktur tragen kann oder ob dazu Layer-3-Geräte – also Router – erforderlich sind.

Scalance XM416-4C unterstützt einen modularen Aufbau durch Port Extender und Combo-Ports. Das Web-Interface ist für mobile Geräte ausgerichtet und kann per NFC gestartet werden. Bild: Siemens

Als Robert Metcalfe vor ungefähr 40 Jahren die erste Skizze von Ethernet entwarf, überzeugte der Ansatz durch Einfachheit: Mehrere Endgeräte verbinden sich über ein Medium zu einem ‚Jeder-mit-jedem‘-Kommunikationsnetz. Die Zugangs- und Übertragungsregeln waren im Rahmen des Verfahrens ‚Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection‘ (CSMA/CD) vorgegeben. Dabei werden sowohl die Zugriffsreihenfolge auf Basis der zeitlich ersten Anfrage als auch die Prüfung des Übertragungsmediums auf Verfügbarkeit und die Absicherung kollidierender Zugriffe geregelt. Diese Technik gab es in Ausprägungen wie 10Base2 oder ‚Cheapernet‘ sowie 10Base5 oder ‚Yellow Cable‘. Bei diesen Lösungen war es relativ umständlich, Endgeräte hinzuzufügen oder zu entfernen. Dieses Problem wurde später durch sogenannte Hubs als Koppelelemente gelöst, die eine sternförmige Topologie und damit strukturierte Verkabelung unterstützten.

Diese Hubs funktionierten im Gegensatz zu den später verwendeten Layer-2-Switches lediglich als Repeater. Entsprechend konnten die Mechanismen Carrier Sense und Collision Detection – bedingt durch die Signallaufzeiten – nur in räumlichen Grenzen sinnvoll funktionieren. Das Überschreiten dieser Grenzen gelang mit dem Einsatz von Ethernet-Bridges und der Separierung von Collision-Domains. Spätestens mit der Einführung von Gigabit-Ethernet und der Verwendung von Ethernet-Switches hat sich die Verwendung von ‚Full Duplex‘-Verbindungen etabliert: Indem getrennte Adern für das Senden und Empfangen genutzt wurden, waren Kollisionen auf der Leitung Geschichte. Im Gegensatz zu Repeaterfunktionen werden die Pakete in den Switches vollständig neu generiert – in der Regel unter Nutzung des ‚Store and Forward‘-Verfahrens.

Ethernet-Switching

Mit den Switches ergeben sich aber neue Herausforderungen, auch wenn die Technologie Probleme in den Feldern Zugriffskollision, Paketintegrität bei der Weiterleitung sowie Kommunikationsgeschwindgkeit und Topologiegröße der Netzwerke beseitigt hat. Denn damit ist nicht mehr das Kabel die begrenzende Größe sondern der Switch, der durch Pufferstrukturen und Warteschlangen- oder ‚Queueing‘-Mechanismen dafür sorgen muss, dass möglichst kein Paket verloren geht. Und wenn doch, dann bleibt die Wiederholung den oberen Protokollebenen überlassen, etwa dem ‚Transmission Control Protocol‘ (TCP) oder der Applikation. Die Forwarding-Regeln für Switches sind dabei relativ einfach:

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 [1] 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.