Switches mit allgemeinen Exkurs auf Profinet

Was sind Switches

Switches sind im Allgemeinen Kopplungselemente, mit deren Hilfe mehrere Teilnehmer eines Netzwerks miteinander verbunden werden können. Switches ermöglichen also den sicheren Datenaustausch von einem Teilnehmer zu anderen. Switches werden zudem auch – vor allem in Ethernet-Netzwerken- als Verteiler von Datenpaketen bezeichnet. Eigentlich ähnelt ein Switch in seiner Funktionsweise einem Hub. Allerdings hat ein Switch als Kopplungselement den Vorteil, dass er auch direkte Verbindungen zwischen zwei Komponenten schalten kann, wenn dies erforderlich wird. Voraussetzung dafür ist allerdings immer, dass dem jeweiligen Switch die Ports, d.h. die Sender und Empfänger, bekannt sind. Ansonsten verteilt der Switch die Datenpakete an alle an ihn angeschlossenen Ports. Frühere Begriffe - wie zum Beispiel Bridging Switch - werden heute nicht mehr verwendet. Sie beruhten darauf, dass die Funktion eines Switches auch der einer Bridge ähnelt. Für Switches gelten besondere Sicherheits-Standards des OSI-Modells.

Arten von Switches

Switches werden grundsätzlich aufgrund ihrer Leistungsmöglichkeiten in drei verschiedenen Eigenschaften unterschieden

  • Anzahl speicherbarere MAC-Adressen für die Quell- und Zielports
  • Art des Verfahrens, wann ein empfangenes Datenpaket weitergeleitet wird
  • Latenz der weitergeleiteten Datenpakete, auch Verzögerungszeit genannt

Viele bezeichnen Switches auch als sogenannte intelligente Hubs. Hubs sind dabei einfache Komponenten, die Netzwerkknoten sternförmig miteinander verbinden. Signale werden dabei weder verstärkt noch interpretiert, sondern unverändert fortgeleitet. Switches hingegen können sich „merken“ über welchen speziellen Port welcher Teilnehmer des Netzwerks erreichbar ist. Somit erzeugt jeder Switch eine ganz eigene Kollisionsdomäne. Es gibt zudem auch Switches, die zusätzlich auf der Vermittlungsschicht, der Schicht 3, des OSI-Modells arbeiten können. Sie können Datenpakete nur anhand ihrer IP-Adresse weiterleiten, sind jedoch in der Anschaffung immer noch sehr teuer.

Switching-Verfahren

Im Allgemeinen wird zwischen 4 Switching-Verfahren unterschieden:

  1. Cut- Through: 
    Dabei leitet der Switch ein Datenpaket sofort, unverzögert weiter, sobald er die Zieladresse erhalten hat. Das hat den Vorteil einer sehr geringen Latenz. Allerdings entsteht der Nachteil, dass fehlerhafte Datenpakete nicht geprüft werden, somit nicht erkannt werden und unverändert an den Empfänger weitergeleitet werden. Dadurch können erhebliche Fehler im Produktions- oder Verarbeitungsprozess entstehen. Schlimmstenfalls kann das sogar zum Ausfall des gesamten Netzwerks führen.
  2. Store- and- forward:
    Hierbei nimmt der Switch genauso wie beim Cut-Through-Verfahren das gesamte Datenpaket in Empfang. Er speichert es allerdings in einem Zwischenspeicher, dem sogenannten Puffer, in dem das Datenpaket mittels verschiedenster Filter auf diverse mögliche Fehlfunktionen geprüft wird. Werden Fehler entdeckt werden diese behoben oder an andere Instanzen gemeldet und erst das bearbeitete und fehlerfreie Datenpaket wird an den Ziel-Port weitergeleitet. Der Vorteil an diesem Verfahren liegt also ganz klar darin, dass fehlerhafte Datenpakete repariert werden und somit aus dem gesamten Prozess eliminiert werden. Ein Nachteil ist allerdings der, dass die Speicherung und Prüfung der Datenpakete natürlich eine Verzögerung der Weiterleitung bewirkt. Wie sich diese Verzögerung im Einzelnen darstellt, ist erstens abhängig von der Größe des Datenpakets, d.h. davon, wie viele Einheiten überhaupt geprüft werden müssen und zweitens davon, ob und wenn ja, wie viele Fehler entdeckt werden und wie schnell diese behoben werden können.
  3. Kombination aus Cut-Through und Store- and- forward:
    Viele Anwendungen arbeiten gleichzeitig mit beiden Verfahren. Treten dabei nur wenige Kollisionen auf wird Cut-Through verwendet. Werden die Fehler allerdings häufiger schaltet sich der Switch automatisch auf Store- and- forward um.
  4. Fragment-Free: 
    Da die meisten Fehler in den ersten 64 Byte eines Datenpakets enthalten sind, das ein Switch empfängt, prüfen viele Switches nur diese ersten 64 Byte eines jeden Pakets. Sind diese fehlerfrei so werden alle Daten - ohne die Prüfung der übrigen - weitergeleitet. Dieses Verfahren ist zwar sehr effektiv, findet aber im Alltag zurzeit noch wenig Anwendung.

Switches bei Profinet

Profinet setzt als Netzwerkkomponenten grundsätzlich Switches ein, da diese für die spezifischen Anforderungen von Profinet am besten geeignet sind. Switches bei Profinet arbeiten nach dem bewährten Prinzip, Signale zu regenerieren, zu empfangen und gezielt weiterzuleiten. Grundsätzliche Richtlinien sind in der ISO/IEC 15802-3 festgelegt. Switches müssen dabei für Fast-Ethernet geeignet sein- d.h. eine Übertragungsgeschwindigkeit von 100 MB/s erlauben- und zusätzlich für eine Full-Duplex-Übertragung ausgelegt sein.

Full-Duplex bedeutet, dass ein Switch gleichzeitig Daten am selben Port empfängt und senden kann. Wichtig ist bei den Switches, dass keine Kollisionen auftreten, da sonst Fehler im Prozess entstehen können und Informationen verloren gehen. Profinet Switches unterstützen priorisierte Telegramme nach IEEE 802.1Q, standardisierte Diagnosewege und Auto Polarity Exchange, Autonegotiation Mode, die Auto-Cross-Over-Funktion und gelegentlich auch Port-Mirroring für Diagnosezwecke. Außerdem wird 10BASE-TX (10 Mb/s, CSMA/CD) unterstützt, um Kompatibilität zu Altgeräten zu gewährleisten.

Industrial Ethernet Switches

Switches, die im Industrial Ethernet verwendet werden, sind ganz anderen Anforderungen ausgesetzt, als Switches im klassischen Ethernet-Betrieb. Im Industrial-Ethernet-Betrieb müssen Switches Störfaktoren wie zum Beispiel Schmutz, Schadstoffe, Vibrationen und Feuchtigkeit unbeschadet aushalten. Daher sind sie mechanisch aufgrund ihres speziellen Aufbaus und elektrisch (meist auf 24 Volt Basis). Zusätzlich müssen sie den Standards der EMV-Richtlinien für Maschinen entsprechen.