Switch zarządzalny czy niezarządzalny? Który wybrać?

Switch, czyli przełącznik sieciowy, jest podstawowym urządzeniem w budowaniu sieci przemysłowej, które pośredniczy w przesyłaniu danych między urządzeniami. Dba o to, aby dane zawsze trafiły do odpowiedniego urządzenia, w sposób bezkolizyjny. Można powiedzieć, że jest mózgiem zarządzającym całą siecią, tak aby działała bezawaryjnie.

Szczegóły dotyczące sposobu działania takich urządzeń opisane zostały w artykule Co to jest switch przemysłowy i jak działa. W tym materiale skupimy się na rodzajach switchy, jakie najczęściej możemy spotkać w zastosowaniach przemysłowych – switchach zarządzalnych oraz niezarządzalnych. Spróbujemy odpowiedzieć na pytanie kiedy jakie model switcha warto wybrać i dlaczego.

Switch niezarządzalny – idealny do najprostszych zastosowań

Switch niezarządzalny to proste urządzenie, które doskonalone nadaje się do aplikacji, w których użytkownik – oprócz połączenia urządzeń przemysłowych ze sobą – nie ma praktycznie żadnych dodatkowych wymagań w zakresie zarządzania i monitorowania ruchu sieciowego. To urządzenie jest gotowe do działania „od razu po wyjęciu z pudełka”. Oznacza to, że nie wymaga żadnej konfiguracji ani zaawansowanej wiedzy informatycznej, by w pełni korzystać z możliwości jakie oferuje.

Switche niezarządzalne wyposażone są w szereg portów komunikacyjnych, pozwalając połączyć ze sobą kilka urządzeń i wymieniać między nimi dane. W zależności od modelu urządzenia liczba oraz typ portów wbudowanych może się różnić. Najmniejsze urządzenia posiadają wbudowane 5 portów komunikacyjnych, te bardziej rozbudowane nawet 20. Z uwagi na wykorzystanie switchy niezarządzanych w lokalnej architekturze, komunikacja za ich pomocą odbywa się w oparciu o skrętkę ethernetową CAT5, a to powoduje, że w switchach takich dominują porty RJ45.

W większości przypadków taka komunikacja jest wystarczająca – maksymalna długość kabla komunikacyjnego wynosząca 100 metrów w zupełności wystarcza do lokalnego połączenie urządzeń. Jeśli komunikacja ma być realizowana na większe odległości, wówczas konieczne jest zastosowania switchy z wbudowanymi portami światłowodowymi. Tu w zależności od wybranego typu światłowodu komunikacja może być realizowana na odległość nawet kilkunastu kilometrów. Warto również zaznaczyć, że złącza światłowodowe mogę być wbudowane bezpośrednio w switch lub mogą wykorzystywać złącza SFP, które po zastosowaniu odpowiedniej wkładki pozwalają na stosowanie kabli światłowodowych różnego typu (multi mode lub single mode) oraz o różnych długościach.

Szybkość wymiany danych w switchach niezarządzalnych najczęściej wynosi 10/100 Mbps (w przypadku podłączenia starszych urządzań obiektowych) lub 1 Gbps. Ten standard spotykamy w przemyśle coraz częściej z uwagi na ilość danych, jakie obecnie urządzenia muszą między sobą wymieniać. Taka szybkość komunikacji powoduje, że opóźnienia, jakie urządzenie wprowadza do komunikacji, są minimalne, a cała sieć działa wydajnie.

Coraz częściej wykorzystywanym rodzajem switcha niezarządzalnego są urządzenia obsługujące standard PoE. Technologia ta  (PoE ang. Power over Internet) pozwala na przesyłanie energii elektrycznej poprzez kable Ethernet, czyli udostępnia możliwość zasilania urządzeń takich, jak np. kamery monitoringu. Jest to bardzo często wykorzystywane np. w systemach wizyjnych lup podczas podłączania do sieci przemysłowej czujników, które wymagają zasilania. Zastosowanie takich urządzeń może zredukować koszty wdrożenia i znacząco przyspiesza uruchomienie systemu.

Pomimo tego, że switche niezarządzalne z definicji są prostymi urządzeniami, mogą posiadać podwójne porty zasilania oraz konfigurowalne wyjście alarmowe, które może ostrzegać o awarii urządzenia lub o braku napięcia zasilania na jednym z gniazd zasilających. To ważne, ponieważ brak zasilania switcha powoduje zatrzymanie komunikacji, co w każdej instalacji, nawet tej najprostszej, oznacza najczęściej zatrzymania pracy systemu lub w najlepszym przypadku utratę części jego funkcjonalności.

Sprawdź ofertę switchy Astraada Net w sklepie internetowym firmy ASTOR.

Switch zarządzalny – do rozbudowanych architektur i zaawansowanych aplikacji

Switch zarządzalny jest bardziej skomplikowaną odmianą switcha sieciowego. Możemy go wykorzystać do budowania sieci o wysokim stopniu krytyczności, w których bezpieczeństwo przesyłania informacji i – co najważniejsze – niezawodność komunikacji jest priorytetem. Posiadają one wszystkie funkcje switchy niezarządzalnych oraz oferują dodatkowe możliwości, które dają użytkownikowi znacznie większą kontrolę nad tym, jak komunikacja jest realizowana na obiekcie.

W instalacjach rozproszonych oraz w takich, gdzie liczba urządzeń biorących udział w komunikacji jest duża, a dane przesyłane pomiędzy nimi mają krytyczne znaczenie dla funkcjonowania całego układu, z pomocą przychodzą wbudowane w switch zarządzalny mechanizmy, które po odpowiedniej konfiguracji pozwalają zarządzać wymianą danych. Poniżej omawiamy najważniejsze funkcje tego rodzaju.

Obsługa połączeń redundantnych (nadmiarowych) – Rapid Super Ring

Połączenie redundantne to połączenie nadmiarowe (nie jest potrzebne do prawidłowego działania sieci). Jego zastosowanie ma jednak kluczowe znaczenie dla  bezpieczeństwa sieci, ponieważ w razie awarii dowolnego segmentu sieci, który jest dublowany, ciągłość działania sieci zostanie utrzymana. Najczęściej jest to realizowane w sieciach o topologii ring (pierścienia), w której pierwszy switch łączymy z ostatnim zamykając pętlę komunikacyjną pomiędzy urządzeniami.

Należy pamiętać, że łączenie w pętlę urządzeń sieciowych nieobsługujących protokołu pracy w pierścieniu jest niedopuszczalne. Takie działanie doprowadzi do przeciążenia sieci, gdyż informacja nadana przez jedno z urządzeń będzie krążyła po sieci w nieskończoność. Z tego powodu switche, które mają pracować w takiej topologii, wyposażone są w mechanizm Ring Master, który zarządza kierunkiem, w jakim przesyłane są pakiety z danymi, skutecznie eliminując możliwość ich zapętlenia w sieci.

Redundancja połączeń jest realizowana najczęściej w oparciu o protokół RSR (ang. Rapid Super Ring), który umożliwia łączenie switchy w konfigurację pierścienia. Dzięki temu, gdy jeden z przełączników przestanie działać, jego zadania może przejąć ten nadmiarowy, w ten sposób sieć nadal będzie sprawna. Cechą wyróżniającą tę technologię jest fakt, że czas przywrócenia komunikacji w sieci po awarii jednego z przełączników jest bardzo krótki i wynosi poniżej 5 milisekund. Dodatkowo projektując sieć zyskuje się praktycznie nieograniczoną możliwość jej rozbudowywania.

QoS (ang. Quality of Services)

Ten z kolei mechanizm pozwala dzielić dostępną przepustowość sieci pomiędzy komunikującymi się urządzeniami i nadawać priorytet wskazanym pakietom. Jest to bardzo przydatne w przypadku przeciążonych sieci. Bardzo dobrym przykładem ilustrującym działanie mechanizmu QoS jest na przykład potrzeba rozbudowy działającej sieci przemysłowej, w której wymieniane są duże ilości danych, zarówno tych procesowych odpowiedzialnych za sterowanie całym układem, jak i danych diagnostycznych, informujących o zachowaniu się urządzeń, oraz danych wykorzystywanych na potrzeby monitorowania działających procesów. Dzięki QoS w przypadku przeciążenia sieci dane krytyczne, czyli zapewniające ciągłość produkcji i bezpieczeństwo, takie jak sygnały sterujące maszynami, będą nadal przesyłane, opóźnione w dostawie zostaną natomiast pozostałe dane, które nie mają kluczowego znaczenia dla zachowania ciągłości procesu (np. dane monitorujące zużycie energii).

VLAN (ang. Virtual Local Area Network)

VLAN to kolejny mechanizm bardzo często wykorzystywany w rozbudowanych sieciach komunikacyjnych. Jest to funkcja umożliwiająca podzielenie istniejącej fizycznie sieci, zbudowanej w oparciu o te same urządzenia, na wirtualne podgrupy, bez względu na ich fizyczną lokalizację. Dzięki temu rozwiązaniu wydzielamy logicznie sieć wirtualną, poprawiamy bezpieczeństwo sieci izolując sieci wirtualne od siebie, upraszczamy całą architekturą i topologię systemu oraz  możemy zarządzać ruchem pakietów w sieci. Jest to bardzo przydatne, gdy do jednego switcha podłączonych jest wiele urządzeń i w celu efektywnej i bezpiecznej wymiany danych miedzy nimi należy je logicznie podzielić. VLAN pozwoli na pogrupowanie urządzeń bez ingerencji w warstwę fizyczną. Zmniejszy to znacząco liczbę switchy, które trzeba w systemie zastosować, a także ułatwi zarządzanie nim.

SNPM (ang. Simple Network Management Protocol)

Jest to prosty protokół zarządzania siecią, używany do zarządzania urządzeniami sieciowymi. Umożliwia monitorowanie stanu urządzeń, zarządzanie konfiguracją, powiadamianie o awariach (tzw. trapy) oraz zbieranie danych do analizy i optymalizacji sieci. Działa na zasadzie komunikacji między agentem SNMP (switch), który zbiera informacje o urządzeniu, a menadżerem SNMP, czyli centralnym systemem zarządzającym.

Wykorzystanie tego mechanizmu znacząco upraszcza zarządzanie wszystkimi urządzeniami w sieci, dając inżynierom szybki dostęp do kluczowych parametrów diagnostycznych, możliwość śledzenia stanu urządzeń sieciowych i automatycznego wykrywania problemów, a także zarządzania konfiguracją oraz zdalnej kontroli parametrów urządzeń sieciowych bez konieczności fizycznego dostępu do nich.

Mechanizm często wykorzystywany jest także do zbierania statystyk sieciowych w celu optymalizacji działania sieci (analiza wykorzystania pasma, obciążenia procesorów, ilości przesyłanych danych). W kontekście bezpieczeństwa SNMP pomaga także w monitorowaniu dostępu i wykrywaniu nieautoryzowanych zmian w sieci, co może być przydatne podczas wykonywania audytów sieci.

Wbudowany WebServer – do łatwiejszej konfiguracji i parametryzacji urządzeń

Wykorzystanie opisanych powyżej mechanizmów wymaga odpowiedniego skonfigurowania switcha. Z uwagi na to, że urządzenia takie najczęściej pracują w dużym rozproszeniu, zarządzanie nimi bardzo ułatwia wbudowany WebServer. Dzięki temu konfiguracja switcha może być realizowana zdalnie, bez konieczności fizycznej obecności przy urządzeniu. Wbudowany w switch WebServer pozwala  z poziomu przeglądarki internetowej ustawić wszystkie parametry, a zapisane pliki z konfiguracją przesłać do innych urządzeń, oszczędzając czas konieczny na skonfigurowanie całego systemu.

Jaki switch wybrać?

Switche zarządzalne mają znaczącą przewagę funkcjonalną nad niezarządzalnymi, ale wybór odpowiedniego switcha jest bardzo indywidualną decyzją, zależną od naszych potrzeb. Ułatwieniem w jej podjęciu może być poniższa tabela:

Dla małych i prostych zastosowań, gdzie priorytetem jest wygoda i niski koszt zbudowania sieci, optymalnym rozwiązaniem będą switche niezarządzalne. Natomiast, w przypadku rozwiązań o wysokiej krytyczności dla funkcjonowania przedsiębiorstwa, potrzebie zwiększonej kontroli nad zarządzaniem siecią oraz bezpieczeństwem, powinniśmy zwrócić swoją uwagę na switche zarządzalne.

Autor artykułu: Krzysztof Stysiek