Aktuální vydání

celé číslo

06

2022

Vodohospodářství, energetika a využití obnovitelných zdrojů energie

IIoT, vestavné a průmyslové počítače a edge computing

celé číslo

Průmyslový Ethernet III: Fyzické provedení sítě Ethernet

Průmyslový Ethernet III: Fyzické provedení sítě Ethernet

František Zezulka, Ondřej Hynčica

Třetí díl seriálu o průmyslovém Ethernetu pojednává o fyzickém provedení sítě Ethernet. Porovnává její současné řešení pro kancelářské použití s ethernetovou technikou pro použití v průmyslu. Zabývá se dopadem topologie sítě na spolehlivost přenosu a na schopnost práce v reálném čase. Vysvětluje funkci jednotlivých komponent sítě, zejména rozbočovačů a přepínačů, a zabývá se pojmy jako autonegotiation, autosensing a autocrossing a významem těchto vlastností pro fungování sítě Ethernet se zřetelem na průmyslové varianty Ethernetu. Závěrem jsou uvedeny informace o konektorech a kabelech pro průmyslový Ethernet.

1. Úvod

V pořadí třetí díl seriálu o průmyslovém Ethernetu je věnován fyzickým vlastnostem této techniky se zaměřením především na ty varianty fyzických komponent sítě, které jsou již používány v průmyslových úlohách. Jak bylo uvedeno v úvodním dílu seriálu [5] zabývajícím se historií Ethernetu, používá se Ethernet pro průmyslové účely již od poloviny 80. let minulého století. Svá „dětská léta“ má tedy již dávno za sebou i fyzické provedení používaných komponent. Naproti tomu však až na konci 90. let a zejména po roce 2000 nastal další posun směrem k úspěšnému použití v průmyslu, který vyvolal potřebu systematicky řešit průmyslové provedení komponent ethernetových sítí. Tento díl si klade za úkol vybavit čtenáře základními informacemi o Ethernetu, co se týče topologie vhodné pro sítě průmyslového Ethernetu, fyzická rozhraní, konektory, kabely, rozbočovače a přepínače. Východiskem je postup projektanta při navrhování počítačové sítě.

2. Projektování sítí Ethernet

2.1 Návrh počítačové sítě
Fyzické provedení sítě Ethernet úzce souvisí s projektováním a uváděním do chodu počítačových sítí jako takových. Jako každá počítačová síť prochází i síť typu průmyslového Ethernetu ve svém životě etapou přípravnou a vyhodnocovací, realizační a provozní. Tento díl seriálu podporuje především první z nich.

Obr. 1.

Obr. 1. Liniová topologie (sběrnice, bus, daisy-chain)
Obr. 2. Topologie hvězda

Náplní přípravné etapy jsou úvahy a vyhodnocování prováděné s cílem vybrat metodu a prostředky k její realizaci vyhovující danému účelu. V případě Ethernetu je tato etapa zjednodušena, neboť jde o techniku velmi rozšířenou jak v kancelářských, tak v poslední době postupně i v průmyslových úlohách. V průmyslu však zatím v převážné míře šlo o použití v úrovních vyšších, než je úroveň bezprostředního řízení (regulace technologických procesů). V současné době Ethernet v důsledku velkého výkonu a stále klesající ceny komponent proniká (v průmyslovém provedení) i do nižších úrovní řízení a sběru dat, kde dosud byly dominantní průmyslové sítě (typu fieldbus a nižší).

V současnosti jsou k dispozici komponenty sítě Ethernet v široké škále provedení i cen. Jde především o rozbočovače (hub) a přepínače(switch) pro průmyslové ethernetové sítě dostupné v krytí vyžadovaném v těžkých provozních podmínkách průmyslu. Tyto produkty se ovšem svým provedením i cenou ostře liší od komponent určených pro kancelářský Ethernet. Po technické stránce je jiné především napájení (24 V DC pro průmyslové provedení a 230 V AC pro kancelářské sítě). Obr. 2. Dále platí, že v průmyslovém prostředí se koncová zařízení musí obejít bez ventilátorů, pracují v nepřetržitém režimu a zpravidla při vyšších teplotách a musí být mechanicky uzpůsobena k montáži na nosnou lištu. Dále musí vykazovat velmi krátkou přístupovou dobu, malou časovou nejistotu (jitter) a některé další parametry, které jsou v kancelářských sítích podružné. Podívejme se, jaké má v tomto směru projektant možnosti.

2.2 Architektura sítě
V současnosti se komunikační sítě Ethernet budují s použitím různých topologií. Jsou to liniová topologie, hvězda, kruh, redundantní hvězda, zdvojený kruh a kombinovaná topologie (např. hvězda, linie a kruh). Z nich jsou principiální liniová topologie, hvězda, kruh a zdvojený kruh [4].

Liniová topologie (sběrnice, bus, daisy-chain) podle obr. 1 již není preferována vzhledem k tomu, že výpadek libovolného jednotlivého spoje vede k výpadku celé sítě, neboť segment sběrnice se rozpadne na dvě části, mezi nimiž již neexistuje žádné spojení (to se také označuje jako single point of failure). Výsledkem je výpadek komunikačního systému, což může vést k velkým ekonomickým ztrátám.

Obr. 3.

Obr. 3. Topologie kruh

Topologie hvězda (obr. 2) se používá mnohem častěji, přestože chyba centrálního prvku (přepínač) může také vést k single point of failure. Tomu lze zabránit jedině redundancí na úrovni centrálního prvku.

Topologie fyzický kruh (ring) je principiálně ukázána na obr. 3. Jde o redundanci na úrovni spoje podle standardu IEEE 802.1D Spanning Tree. Podle tohoto standardu však dojde k automatické rekonfiguraci sítě v průběhu 45 až 60 s. Takto dlouhá doba je pro mnoho průmyslových úloh nepřijatelná, neboť při výpadku komunikace na dobu delší než 5 s se jejich řídicí systém zpravidla rozpadá. Rychlejší variantou této topologie je fyzický kruh se standardem typu Fast Spanning Tree s povolenou dobou obnovy komunikace do 1 s. Jde o standard IEEE 802.1w. Nevýhodou tohoto řešení je, že při přepnutí mohou nastat tyto nestandardní situace:

  • datové pakety mohou být zdvojeny,
  • může se změnit pořadí paketů,
  • mohou vzniknout smyčky,
  • v architektuře Fast Spanning Tree je povoleno maximálně sedm přepínačů v řadě,
  • doba na přepnutí není definována a v nepříznivých případech může obnova komunikace trvat opět 45 až 60 s.
Obr. 4.

Obr. 4. Topologie zdvojený kruh

Topologie zdvojený kruh (obr. 4) poskytuje ze všech uvedených principů nejvyšší stupeň funkční pohotovosti. V této struktuře nedojde k výpadku sítě ani při současném výpadku většího počtu spojů (účastníků). Protože zatím neexistuje žádný standard pro redundantní provedení komunikačních sítí pro průmyslové účely, někteří výrobci si vyvinuli vlastní (proprietární) řešení. Jedním z nich je např. redundantní síť Hiper-Ring firmy Hirschmann, předního výrobce komponent pro průmyslový Ethernet. Standard Hiper-Ring zaručuje zotavení sítě do 500 ms i při velkých vzdálenostech mezi až 50 přepínači.

2.3 Rozbočovač (hub)
Rozbočovač propojuje účastníky připojené v rámci jedné kolizní domény (části sítě, o kterou se připojení účastnici musí dělit, tj. segmentu sítě s více než jedním účastníkem). Rozbočovače pracují ve vrstvě 1 referenčního modelu ISO/OSI (viz např. [6]) a jsou ve strukturované kabeláži s topologií hvězda jakousi variantou opakovačů (repeater) používaných v liniové topologii původních sítí Ethernet s koaxiálním kabelem jako přenosovým médiem. Signál přichází vstupním portem do rozbočovače od jiného účastníka sítě (rozbočovač, přepínač) a je upraven (zesílen) a předán na všechny výstupní porty. Proto na něm dochází jen k minimálnímu zpoždění. Naproti tomu rozbočovač není schopen pakety směrovat do jednotlivých segmentů sítě, nýbrž je předává vždy do celé domény, kterou vytváří. Není také schopen odstraňovat poškozené pakety. Prostřednictvím rozbočovače může vždy vysílat jen jeden účastník přenosu. Projektování sítě s rozbočovači je proto náročnější a taková síť v ukazateli cena k výkonu zaostává za sítí s přepínači.

2.4.1 Funkce
Přepínače pracují ve vrstvě 2 (spojové), a to vesměs na principu store-and-forward, uloží tedy každý přijatý paket ve své paměti. Poté ověří správnost přijatého paketu podle kontrolního součtu (CRC) a podle adresy příjemce paketu (MAC address) směrují pakety jen do toho segmentu, v němž se adresát zprávy nachází. Některé přepínače starší generace (tzv. cut through switches) ukládají jen některé části paketu. U těchto přepínačů je zpráva uložena jen po dobu nutnou k dekódování adresy. Potom je paket co nejrychleji předán dál přes příslušný výstupní port. Tyto přepínače se již téměř nepoužívají. Pakety jsou na odpovídající výstupní porty cíleně zasílány prostřednictvím tabulky adres každého výstupního portu, v níž jsou adresy zařízení dosažitelných přes tento port. Jestliže přepínač dostane paket bez známé adresy, funguje jako rozbočovač, tj. pošle ho na všechny výstupní porty. Jakmile dostane zpětnou zprávu od zařízení, které zaslaný paket přijalo, chová se jako učící se zařízení a uloží takto získanou adresu do tabulky adres příslušného výstupního portu. Naopak maže z tabulky portu adresy, na které delší (stanovenou) dobu nebyl poslán žádný paket. Tak si přepínač udržuje informaci o adresách dostupných prostřednictvím toho kterého portu. Přepínače také odstraňují poškozené pakety, neboť přezkoumávají jejich korektnost. Tím vzrůstá rychlost přenosu. Tím, že ukládá přicházející pakety, je přepínač schopen propojovat segmenty sítí s různou rychlostí přenosu. Jedním přepínačem lze propojit např. stanici na jednom segmentu s přenosovou rychlostí 100 Mb/s v režimu plného duplexu se stanicemi na segmentu s rychlostí 10 Mb/s a polovičním duplexem. Aby bylo možné přepínači propojovat segmenty sítí s různými pracovními režimy, musí být porty přepínače schopny automaticky se do těchto různých režimů přepínat. K tomu se využívají mechanismy označované jako plný duplex/poloviční duplex, autonegotiaton, autosensing a autocrossing.

2.4.2 Plný duplex, poloviční duplex
Pracovní režim plný duplex a poloviční duplex má původ v komunikaci mezi dvěma body realizované buď jako plný duplex (Full Duplex – FDX), nebo poloviční duplex (Half Duplex – HDX). V režimu HDX se data v daném okamžiku předávají jednosměrně, v režimu FDX je provoz v síti v daném okamžiku obousměrný. Plný duplex nemusí být realizován v celé síti jednotně. Rozdílné režimy v jedné síti jsou možné a často účelné. Například mezi serverem a přepínačem je ustaveno spojení typu FDX stejně jako mezi přepínačem a některými koncovými stanicemi, zatímco mezi přepínačem a rozbočovačem je ustaveno spojení typu HDX.

2.4.3 Autonegotiaton, autosensing
Výraz Autonegotiaton je označení protokolu, který podporuje automatické přepínání mezi FDX a HDX na portech přepínače s připojením kroucenou dvoulinkou standardu Fast Ethernet (100 Mb/s). Protokol autonegotiaton umožňuje automaticky ustavit ještě před příchodem prvního paketu pracovní režim přepínače pro danou konfiguraci sítě tak, aby zařízení byla kompatibilní. Jakmile dva účastníci již začnou komunikovat, je tímto protokolem automaticky nastaven optimální režim přenosu. Tento mechanismus lze i vypnout, je-li třeba zajistit jiné propojení uzlů. Autosensing je vlastnost koncových zařízení rozpoznat přenosovou rychlost (10 Mb/s nebo 100 Mb/s) na portech s připojeným kroucenou dvoulinkou a podporovat mechanismus autonegotiation. Velkou výhodou mechanismů autonogotiation a autosensing je to, že zajišťují bezproblémovou kompatibilitu s ethernetovými zařízeními, která ještě autonegotiation nepodporují.

Obr. 5.

2.4.4 Autocrossing
Komunikace prostřednictvím kroucené dvoulinky je provedena tak, že signály jdou od vysílacího portu ethernetového přístroje do přijímacího portu jiného přístroje. Rozhraní koncových zařízení je specifikováno na propojení kroucenými páry a propojení konektorů je 1 : 1. Při propojení dvou přepínačů nelze tento způsob použít, protože oba vysílací a oba přijímací porty jednoho přepínače jsou navzájem propojeny, a proto se pro spojení dvou přepínačů použije jejich propojení překříženým kabelem. Tato různá propojení jsou v praxi dostatečně barevně odlišena. Moderní rozhraní pro kroucenou dvoulinku jsou vybavena automatickými funkcemi. Tyto funkce rozpoznají, jaký způsob propojení je třeba pro daná zařízení použít, a odpovídajícím způsobem sama konfigurují daná rozhraní. Instalace sítě a případné záměny propojení komponent jsou těmito mechanismy výrazně zjednodušeny.

Z toho, co bylo v této kapitole řečeno, vyplývá, že v nových instalacích se používají především přepínače, neboť vykazují výrazné funkční schopnosti potřebné pro zavádění i provoz sítí LAN, včetně průmyslových Ethernetů.

2.5 Porovnání přepínaného a sdíleného Ethernetu
Názorně jsou přepínaný (tj. s použitím přepínače – switch) a sdílený (s použití rozbočovače – hub) Ethernet porovnány na obr. 5 a obr. 6. Zatímco obr. 5 poukazuje na rozdíly ve fungování obou sítí typu LAN, na obr. 6 jsou porovnány jejich výkony.

Obr. 6.

Obr. 5. Toky dat v přepínané a sdílené ethernetové síti typu LAN
Obr. 6. Ideální datová propustnost sítí na bázi přepínaného a sdíleného Ethernetu [3]

Pro zásadní význam zařízení typu rozbočovače a přepínače pro činnost ethernetové sítě jsou jejich hlavní vlastnosti (a tím i odlišnosti) vedle již uvedeného shrnuty ještě ve zvláštním textu v rámečku na předchozí straně.

3. Fyzické provedení ostatních komponent průmyslového Ethernetu

3.1 Nejen topologie
Klasickou techniku Ethernetu ovšem posouvá směrem k použití v průmyslu nejen topologie sítě. Aby bylo možné použít Ethernet v průmyslovém prostředí, musí nezbytně být v průmyslovém provedení nejen rozbočovače a přepínače, ale také další komponenty ethernetových sítí, jmenovitě konektory, kabely a kabelové trasy.

3.2 Konektory
Průmyslové konektory vhodné pro průmyslový Ethernet používané v současné době jsou stručně uvedeny v tab. 1.

3.3 Kabely

3.3.1 Třídy odolnosti
Je zřejmé, že průmyslové prostředí klade na kabely větší požadavky než kancelářské prostředí na standardní síť Ethernet. Potřebné charakteristiky kabelů pro komunikaci v průmyslu byly definovány koncem 80. let minulého století v souvislosti s rozšířením průmyslových komunikačních sítí. Evropská organizace IAONA (Industrial Automation Open Networking Alliance), která se donedávna zabývala především popularizací, šířením informací, doporučeními a kroky ke standardizaci průmyslového Ethernetu, specifikuje ve své publikaci Planning and Instalation Guide for Industrial Ethernet [1] dvě třídy kabelů pro průmyslový Ethernet [2].

Tab. 1. Ethernetové konektory do průmyslového prostředí [2]

Typ

Standard

Podporováno

M12-4

IEC 61076-2-101-A1

ODVA, PNO

RJ45-IP67

IEC 61076-3-106 (varianta 01)

ODVA, PNO

RRJ45-IP67

IEC 61076-3-106 (varianta 06)

IDA, Interbus-Club

Třída Light Duty (IP20) obsahuje komponenty, které se musí instalovat do rozváděčové skříně. Tato třída odpovídá požadavkům stupně krytí IP20, tj. zaručuje ochranu před vniknutím pevných předmětů s rozměrem 12,5 mm a větším a neposkytuje žádnou ochranu před vlhkostí.

Třída Heavy Duty (IP67) odpovídá požadavkům na stupeň krytí IP67 a umožňuje použít jí odpovídající komponenty i v nejtěžších podmínkách průmyslových provozů. Vzhledem ke krytí IP67 jsou komponenty dokonale odolné proti vniknutí vlhkosti (krytí IP67 znamená provedení zcela prachotěsné a odolné proti dočasnému ponoření). Kabeláž provedená ve třídě Heavy Duty vykazuje spolu s odolností proti vlhkosti také odolnost proti elektromagnetickému rušení (tj. elektromagnetickou kompatibilitu – EMC), jiskrovou bezpečnost (v prostředí s nebeznebezpečím výbuchu nesmí tyto datové kabely být v žádném případě zdrojem iniciace potenciálního výbuchu) a odolnost proti zvýšené provozní teplotě v blízkosti strojů a dalších zařízení. Dále musí být tyto kabely extrémně odolné proti účinkům vibrací strojů a jejich částí, na nichž jsou upevněny, a tudíž dimenzovány na extrémně velký počet ohybů i na působení krutu. Pláště kabelů musí odolávat kyselinám, zásadám i ropným látkám (oleje, paliva atd.). Kabely musí být provedeny tak, aby jejich montáž byla snadná a co nejméně zatěžovala uživatele. Některé z uvedených vlastností jsou kvantifikovány v tab. 2.

Tab. 2. Třídy kabelů do průmyslového prostředí a jejich vybrané charakteristiky [2]

Třída

Light Duty

Heavy Duty

Krytí

IP20 podle IEC 60529, EN 60529

IP67 podle IEC 60529, EN 60529

Provozní teplota

0 až +55 °C

–20 až +65 °C

Rázy

15 g/11 ms (IEC 60068-2-27, EN 60068-2-27)

Vibrace

5 g při 10 až 150 Hz (IEC 60068-2-27, EN 60068-2-27, krit. A)

Z hlediska dlouhodobého použití kabelu pro průmyslový Ethernet je rozhodující provedení jeho pláště. Plášť musí ochránit jádro kabelu před prachem, vlhkostí, agresivními kapalinami a předčasným zestárnutím, tj. obecně zabránit ztrátě požadovaných vlastností jádra. Při volbě nejvhodnějšího provedení a materiálu pláště kabelu musí projektant sítě znát prostředí, v němž bude síť pracovat. V tabulkách zpracovaných organizací IAONA jsou hodnoceny vybrané materiály (FRNC, polyethylen, polyuretan a polyvinylchlorid) podle parametrů jako rozsah teplot, odolnost proti ultrafialovému záření, hořlavost, tvorba solí při hoření, odolnost proti olejům, chemická odolnost, odolnost proti opotřebení otěrem, navlhavost, ohebnost apod. Pláště z těchto materiálů jsou vhodné jak pro metalické, tak i pro optické (světlovodné) kabely.

3.3.2 Metalické kabely
V tab. 3 jsou uvedeny doporučené vlastnosti metalických kabelů pro průmyslový Ethernet podle [1], a to jak kabelů určených pro pevné instalace, tak pohyblivých kabelů určených k připojení koncových zařízení v průmyslových provozech (připojovacích). Jde o kabely splňující požadavky kladené na kabeláž kategorie 5, třída D, s mezní frekvencí 100 MHz, jichž lze dosáhnout stíněným nebo nestíněným krouceným párem vodičů (kabel typu SUTP, popř. UTP).

Tab. 3. Metalické kabely podle specifikace IAONA

Určení

Kabely pro instalace

Spojovací kabely

Průřez jádra

AWG 24/1 až AWG 22/1

AWG 26/7 až AWG 24/7

Norma

EN 50288-2-1

EN 50288-2-2

Počet párů

2 nebo 4

Frekvenční rozsah

kategorie 5 (100 MHz)

Průměr kabelu (čtyři páry)

6 až 8,5 mm (Light Duty), 7 až 9,5 mm (Heavy Duty)

5 až 6 mm (Light Duty), 6 až 7 mm (Heavy Duty)

Materiál pláště

nespecifikován

Stínění

společné měděné stínění nebo fólie plus měděné stínění

Maximální délka kabelu

100 m

60 m, popř. 50 m pro spolehlivý přenos

Hořlavost

IEC 60332-1 (jednoduchá zkouška hořlavosti)

Tvorba solí

podle normy IEC 60754-2

V současné době postačuje v průmyslovém prostředí uvedená nižší rychlost Ethernetu, třebaže v kancelářském prostředí se používá rychlosti až o dva řády vyšší, a to téměř výlučně po kabelu typu SSTP, který je po párech stíněný. Bez ohledu na dosud platné doporučení organizace IAONA bude k dosažení gigabitových přenosových rychlostí tento typ kabelu v budoucnu nepochybně používán i v průmyslu. Pro kabel typu SSTP jsou mj. význačné:

  • dvakrát lepší vlastnosti z hlediska EMC,
  • cenová výhodnost,
  • délka segmentu sítě až 125 m.

3.3.3 Světlovodné (optické) kabely
Ke konvenčním světlovodným kabelům používaným v kancelářském prostředí je pro účely průmyslového Ethernetu třeba přidat ještě tyto dvě varianty:

  • kabely s umělým světlovodným vláknem SI-POF 980/1000 (plastové světlovodné vlákno s jádrem z polymethylmethakrylátu a polyethylenovým obalem),

  • vlákno typu HCS (Hard Clad Silica) v provedení S200/230 (silnovrstvý silikon s jednou plastovou vrstvou a jednou teflonovou vrstvou),

které jsou obě velmi vhodné do průmyslového prostředí. Vykazují velkou odolnost proti mechanickému namáhání i zvýšené teplotě při relativně bezproblémové manipulaci na místě samém.

Tab. 4. Porovnání vlastností světlovodných a metalických kabelů pro průmyslový Ethernet

Typ kabelu

POF/HCS

Skleněný světlovodič

Metalický vodič

EMC

velmi dobrá

špatná

Galvanické oddělení

ano

ne

Riziko iniciace výbuchu

ne

ano

Malá hmotnost

ano

ne

Malý rádius ohybu

ano

ne

ano

Snadná montáž

nejlepší

ne

ano

Velká šířka pásma

ne

nejlepší

ano

Útlum signálu

malý

největší

velký

Ekonomika

dobrá

špatná

nejlepší

V tab. 4 jsou porovnány vlastnosti metalických a optických kabelů vhodných pro průmyslovou kabeláž. V případě optických kabelů z plastu (Polymer Optical Fibre – POF) a typu HCS lze vycházet ze zkušenosti s těmito kabely, které se prosadily v nepříznivém průmyslovém prostředí na strojích a výrobních linkách při použití se sběrnicemi Interbus a Profibus. Jejich jádro má sice poněkud větší průměr, avšak tam, kde dochází k pravidelnému malému pohybu kabelů vůči připojeným komponentám, jsou neocenitelné. Samozřejmě je třeba vzít v úvahu jejich menší dosah a větší měrný útlum po délce. Pro uvedené sběrnice se POF používá do vzdálenosti 70 m, zatímco pro průmyslový Ethernet jsou uváděna omezení délky segmentu ze světlovodných kabelů na 50 m při rychlosti 10 Mb/s a 35 m při 100 Mb/s. Kabely s vlákny typu HCS se používají jako prodloužení POF až do vzdálenosti 300 m.

Zatímco v případě metalických kabelů se konektory ustálily na M12 a různých variantách RJ45 v provedení až do IP67, u konektorů pro propojení optických kabelů pro průmyslový Ethernet se na návrzích dosud intenzivně pracuje.

4. Závěr

V oblasti strukturované kabeláže se obě hlavní oblasti použití Ethernetu – tj. kancelářská sféra a průmyslová sféra, postupně spojují dohromady. Je jasné, že požadavky na strukturovanou kabeláž v oblasti první úrovně řízení výrobních a zpracovatelských procesů v průmyslu jsou výrazně vyšší, než vyžadují vyšší úrovně řízení v hierarchické struktuře podnikové sítě. Zdá se však, že např. v případě nových typů optických kabelů – POF a HCS – má průmysl již k dispozici fyzické médium pro zavedení průmyslového Ethernetu do nejtěžších provozů, a tím k vytvoření jednotného komunikačního systému na bázi průmyslového Ethernetu v celé hierarchické struktuře podnikové sítě od úrovně senzorů technologických veličin až po úrovně systémů řízení výroby (MES) a podniku (ERP).

Vlastnosti rozbočovačů a přepínačů v kostce [3]

Rozbočovač (hub):

  • Rozbočovač je komponenta sítě pracující na fyzické vrstvě. Jejím úkolem je regenerovat a přeposílat datové signály uvnitř jedné kolizní domény.

  • Rozbočovače propojují komponenty kolizní domény. Jejich dosah je omezen na dosah kolizní domény, tj. asi 4 500 m při přenosové rychlosti 10 Mb/s a asi 450 m při rychlosti 100 Mb/s.

  • Rozbočovače převádějí přijaté pakety na všechny výstupní porty. Protože v rozbočovači dochází jen k elektrické regeneraci a rozdělení datových signálů, jsou tak předávány dál jak korektní, tak nekorektní pakety. Chybné pakety pak dále zatěžují celou síť.

  • Protože rozbočovač převádí datové signály na všechny výstupní porty, lze síť diagnostikovat s použitím některého volného portu rozbočovače.

Přepínač (switch):

  • Přepínač je komponenta na spojové (druhé) vrstvě podle jednotného modelu komunikace (ISO/OSI). Je určen k regenerování signálu, k přezkoumání bezchybnosti paketu a k cílenému směrování paketů podle adresy MAC obsažené v paketu na odpovídající port. V síti vystavěné na přepínačích nejsou ke komunikaci třeba žádné adresy IP (nutné pro vrstvu 3 komunikace, v níž se pakety směrují do dalších segmentů sítě).

  • Přepínače propojují dvě i více kolizních domén. Jejich dosah je tedy větší než jedna kolizní doména (jak je tomu u rozbočovačů). Na základě přepínačů naopak lze vybudovat sítě s dosahem stovek kilometrů. Maximální dosah sítě záleží jen na povoleném maximálním zpoždění paketu mezi dvěma účastníky přenosu.

  • Přepínače filtrují datový provoz podle adres MAC, čímž se dosáhne toho, že místní provoz sítě zůstane skutečně místní. Přepínače směrují pakety na jednotlivé výstupní porty tak, že do daného portu jsou směrovány zprávy jen pro účastníky připojeného segmentu sítě. Za tím účelem se v přepínači automaticky vytváří tabulka adres MAC účastníků sítě.

  • Přepínače omezují šíření chybných paketů. Ověřením kontrolního součtu v každém přenášeném paketu zabraňuje přepínač dalšímu šíření chybných paketů. Zabraňuje také rozšíření kolizí na další segmenty sítě.

  • Přepínače zpracovávají pakety z různých segmentů sítě současně, tj. paralelně. Díky většímu počtu portů přepínač dynamicky současně ustavuje několik spojů mezi účastníky, popř. segmenty sítě. Tím se dosahuje významně většího výkonu a rychlosti (datové propustnosti) sítě. Přepínač ukládá pakety do vnitřní paměti jen tehdy, je-li nutné přenést na jeden výstupní port větší počet paketů. Z paměti jsou pak pakety postupně zasílány na daný port.

  • Protože přepínač směruje pakety na porty podle adres MAC koncových účastníků, není možné použít volný port k diagnostice sítě. Moderní přepínače mají zdvojený vstupní port, k němuž lze připojit diagnostický přístroj.

Literatura:
[1] Industrial Ethernet. Planning and Instalation Guide for Industrial Ethernet, Release 3.0. IAONA e.V., March 2003.
[2] SCHMIDT, T. – HOERCHER, G.: Netzaufbau, 4.2 Kabel. SPS Magazin, 11/2002, s. 36–39.
[3] KASPER M.: Industrielle Netzwerkkomponenten (Switches/Hubs). SPS Magazin, 5+6/2003, s. 38–41.
[4] SCHRAMM, T.: Netzaufbau, 4.1 Topologie. SPS Magazin, 11/2002, s. 33–35.
[5] ZEZULKA, F. – HYNČICA, O.: Průmyslový Ethernet I: Historický úvod. Automa, 2007, roč. 13, č. 1, s. 41–43.
[6] ZEZULKA, F. – HYNČICA, O.: Průmyslový Ethernet II: Referenční model ISO/OSI. Automa, 2007, roč. 13, č. 3, s. 86–90.

prof. Ing. František Zezulka, CSc.
(zezulka@feec.vutbr.cz),
Ing. Ondřej Hynčica
(xhynci00@stud.feec.vutbr.cz),
UAMT FEKT VUT v Brně