Endüstriyel Ethernet Planlama ve Montaj Kılavuzu – 8 Aktif Bileşenlerin seçim kriterleri

Aktif Bileşenlerin Seçimi

Bandgenişliği Profilleri

 Uygulamalar

Bağlanmış Ethernet uç cihazlarıyla (PC’ler, iş istasyonları, PLC’ler, I/O cihazları) ilgili varsayımlar ve önümüzdeki yıllarda kullanılacak uygulamalara dayanarak, her hat için trafik olasılıkları hesaplanmalıdır. Proses kontrol trafiği karmaşıklığa ve proses kontrolünün gerçek zaman gerekliliklerine bağlıyken her yıl internet trafiğinin ikiye katlandığı unutulmamalıdır.

Ortalama yükün hesaplanması gerekli değildir, tepe yükleri ağın geçici aşırı yüklenmelerini engellemek için hesaba katılmalıdır.

 Cevap Süreleri

Pek çok uygulama iletim ve cevap süreleri değişimlerine karşı toleranslıdır. Ses ve video yayını için istenen kaliteyi gerçekleştiren band genişliği daha az toleranslıdır.

Proses kontrolleri tarafından cevap süreleri için güçlü kısıtlamalar istenir. Gerekli bölümler(segment) gereksiz trafikten uzak tutulmalıdır ve gerekli band genişliğinin on katı kadar büyüklükte olması sağlanmalıdır.

Otomatik kontrol sisteminin arka plan ağ yönetim yükünde önümüzdeki yıllarda artış olacaktır, ama bu her zaman geçici tepe değerleriyle sıkı cevap süresi gereklilikleri olmaksızın olacaktır. Trafik öncelikleri ayarlanabilen anahtarlamalı ağlarda kolayca gerçekleştirilebilir.

İhtiyaç duyulan tipik cevap süreleri :

  • Video               : 50 ms
  • Ses                   : 20 ms
  • Proses Kontrol : 10 ms

Hatlar (ISO 1. Katman)

Ağ Genişlemesi

Endüstriyel uygulamalarda switchler tercih edilen çözümlerdir ancak Hub tabanlı bir sisrtemde aşağıdaki nokta dikkate alınmalıdır :

Ethernet ağlarında, toplam ağ genişlemesi teorik olarak Ethernet slot zamanı olan 51.2 msn’nin altındaki (CSMA/CD kullanan ağlarda yeni veri göndermeden önceki bekleme süresi) rount trip (ağdaki mevcut gecikme) süresi tarafından 5120 m ile sınırlandırılmıştır. Bu kriter karşılanmaz ise, çarpışmalar (collision) ağ üzerinde ortaya çıkmaz ve ağ, dolayısıyla Ethernet ortam erişimi (Ethernet media access (MAC)) protokolü CSMA/CD (carrier sense multiple acces / collision detect) çalışmaz.

Pratikte, her aktif cihaz hatlardaki propagasyon zamanına gecikme ekler ve ağ genişlemesini azaltır. Bir kurala göre iki uç arasında 4’ten fazla hub olmamalıdır, ağ genişliği 2500 m’de kalmalıdır.

Daha kesin bir hesaplama ise Propagasyon Eşitliği (Propagation Equivalence) PE ve Yol Değişkenlik Değeri (Path Variability Value) PVV ile yapılabilir. Bu değerler aktif cihaz üreticisi tarafından belirlenir.

Propagasyon Eşitliği bölümdeki en uzak iki cihaz arasındaki maksimum kablo uzunluğunu hesaplamak için kullanılır. Yol üzerinde hublar, transceiverler ve NIC’ler (Network Interface Card [Ağ Arayüz Kartı]) tarafından oluşan gecikme metreye dönüştürülür. Bu toplam değeri 4520 metreden düşürdükten sonra elde edilecek değer izin verilecek maksimum kablo uzunluğudur. PC üzerideki ya da diğer sonlandırıcı üniteler üzerindeki NIC veya harici transceiverların propagasyon eşitliği TP bağlantıda 140 metreye karşılık gelir.

 

Yol Değişkenlik Değeri bir çarpışma alanında (collision domain) kaskad kullanılabilecek maksimum hub ve transceiver sayısını hesaplamak için kullanılır. Yol değişkeni bit time (bit zamanı) değeri olan BT ile ifade edilir. Bu değerler bir ünitenin bir portundan alınan ve diğerinden gönderilen bir Ethernet çerçevesi (frame) için hesaplanır. Toplam bit zamanı bir alanın tüm birimleri (hublar ve transceiverlar) arasındaki her ayrı yol için hesaplanmalıdır. 40’ı geçmemelidir.

Hat Ortamı ve Hat Uzunluğu

Bir başka kısıtlama her ayrı link için ayrı ayrı uygulanır. Ortam ve kullanılan uygun transceivera göre, her hattın uzunluğu belirli değerde kısıtlanır. Belirli bir kategorinin gereksinimlerini karşılarken kullanılan bileşenlerle erişilebilecek en küçük uzunlukları gösteren uygulamaları ISO/IEC 11801 ve EN 50173 açıklamaktadır. Daha iyi kalitede bileşenlerle daha büyük uzunluklar mümkün olmaktadır, ama hesaplamalar tüm parametrelerin en kötü durumdaki değerleriyle yapılmalıdır.

 

Ethernet Bölümlerinin (Segment) Ayrıştırılması (ISO 2. Katman)

Ethernet Hubları

Sarı Ethernet kablosunun orijinal bus yapısı yıldız (star) bağlantı yada hub kullanılarak esnek yıldız ve çoklu yıldız topoljisine dönüştürülebilir. Bunlar çerçeveleri (frameleri) alınan port dışında tüm portlara gönderen çok portlu aktif cihazlardır.

Mantıksal olarak, bağlanmış bir yıldız noktası gibi davranırlar : ağın mantıksal değil fiziksel şeklini oluştururlar. Özellikle, çarpışma (collision) hissetme alanını (domain) değiştirmezler : her çerçeve (frame) tüm ağa yayılır ve çarpışma (collision) tüm ağ tarafından hissedilmek zorunda kalır.

Ethernet Anahtarları (Switchleri)

Çarpışma alanlarında (Collision domain) ağ genişlemesine gelen kısıtlamaların üstesinden gelmek için, Ethernet köprüler (bridge) geliştirilmiştir. Her portta bağlı olan cihazların Ethernet MAC adreslerini öğrenirler ve çerçeveleri (frame) sadece gönderilecek cihazın adresinin öğrenildiği portundan iletir. Böyle bir köprünün (bridge) her portu ayrı bir çarpışma alanını (collision domain) temsil eder, yani kilometrelerce genişleyebilen pek çok collision doman’i kademelendirilebilir.

Ethernet köprüleri (bridge), portları arasında Ethernet çerçeveleri (frame) anahtarlar, bu genel ağlardaki PBX anahtar iletişimine benzer ve bugün Ethernet anahtarları olarak anılmaktadır.

Ethernet anahtarlar hublardan çok daha yetenekli cihazlardır ve çerçeveyi göndermeden önce depoladıklarından sonraki bölümlerde anlatılacak pek çok mantıksal işlemi gerçekleştirebilirler.

1518 byte Ethernet çerçevesi için tipik (giren porttan çıkan porta) gecikmeler :

  • Ethernet :             1.3 msn
  • Fast Ethernet :     150 μn
  • Gigabit Ethernet : 30 μsn

Öncelikli Anahtarlama (IEEE 802.1D) (Priority Switching)

Pek çok farklı uygulama aynı Ethernet ağını aynı zamanda kullanabilir. üst paragrafda  anlatıldığı gibi, gecikme ve cevap süreleri açısından çok farklı gereklilikleri olabilir.

Örneğin endüstriyel Ethernet uygulamasında, sıkı gerçek zaman gereklilikleriyle küçük proses kontrol çerçeveleri yazılım indirmelerinin ağır yüküyle veya diğer dosya transferleriyle başa çıkabilir. Dosya transferi için saniyeler mertebesinde bir gecikme problem olmayacaktır.

Pek çok Ethernet anahtarında bundan dolayı trafiği öncelik sırasına yerleştirmek mümkündür : çerçeveye eklenecek etikete (tag) göre ve öncelik belirlenerek çerçeveler anahtarlarda ayrı sıralarda dosyalanırlar ve bu sıraların önceliklerine göre gönderilirler.

Yani yüksek öncelikli trafik ağ içinde ekstra gecikme olmaksızın dolaşır, düşük öncelikli frameler sıralarını beklemek zorundadır.

VLAN (IEEE 802.1Q)

Ethernet anahtarları bir porta sadece tek alıcıya gönderme (unicast) çerçeveleri anahtarlar, ama öncelikli olarak bağlantıları ayarlamak için tüm portlara çoklu yayama çerçeveleri (multicast frame) yayınlarlar. İhtiyaç duyulduğunda, bu tip yayın bölümleri (broadcast domain) VLAN (virtual LAN) fonksiyonu kullanılarak ayrılabilirler : Bazı temel kriterler, mantıksal ayrımlar ( VLANler) konfigüre edilebilir ve yayın çerçeveleri bu segmenler içinde yayınlanalabilir. Bu aynı zamanda kurulan VLAN sınırları arasında herhangi bir bağlantı yapılmaz ve bir çeşit erişim güvenliği sağlanmış olur.

 

Gerçek Zamanlı Ethernet

Tam anahtarlamalı full duplex bloklama olmayan ağ yapısıyla, gerçek zamanlı Ethernet günümüzde mümkündür. Ağ gerçek zaman gerekliliklerinin gecikme toleransı ve yüksek yük trafiği gibi hususlardan etkilenmeyecek şekilde planlanmalıdır. Bölümleme (segmentation) ve önceliklendirme gibi tekniklerle ve mümkün gecikmelerin toplamının gerekli cevap süresinin altında kalması sağlanır. Sonuncusu 6 adet kaskad bağlı Fast Ethernet anahtarın 1 ms altında gecikme yaratması örneğinde olduğu gibi gerçek bir problem değildir.

IP Alt ağ (Subnetwork) Oluşumu (ISO 3. Katmanı)

 Routerlar

Internet protokol adresindeki filtre maskeleri aracığıyla alt ağlar, alt ağlar içinde oluşturulabilir. Uygun şekilde konfigüre edilmiş bir yönlendiricisi altağ kriteriyle uyan portuna spesifik IP adresini içeren çerçeveyi gönderir. Yönlendirilemeyen trafik ağ içinde tutulur.

Yönlendiriciler her çerçevenin yönü için ayrı ayrı karar vermek zorundadır, bu da belirgin bir gecikme süresine mal olur. Dahası gecikme değerlendirilmesi gereken kriterlerin sayısına bağlıdır.

 IP Anahtarları

Her IP adresi için sadece bir kez yönlendirme kararı veren anahtarlar, yönlendiricilerden daha hızlıdır ve her çerçeveyi aynı IP adresiyle bu karara dayanarak yönlendirir.

Anahtarlama her çerçeve tipi içindir ancak ilk çerçeve basit Ethernet anahtarlaması olduğu için dolayısıyla bir gecikme süresine sahip olacaktır.

 Ağ Güvenliği (ISO 4 ve üstü katmanları)

Eğer yukarıdaki Ethernet ve IP adres bilgisi karmaşıksa yada uygulama temelli kararlar ağ trafik akışını belirleyecekse, firewall’lar kullanılmalıdır. Her çerçeve (frame) açıp içeriğini okurlar. Bu içeriğe pek çok filtreleme kararı uygulanabilir ve çerçeve (frame) daha ileri işlenmesini etkileyebilir.

Ağ Ulaşılabilirliği

 Güvenli Yedek (Redundant) Hatlar

Ağın yüksek erişilebilirliğinin sağlanması için, güvenilir hat yedeklenmesi planlanmalıdır. Ağda aynı yada farklı cihazlar arasında bozuk hattan yedek güvenli hatta anahtarlamayı yapan pek çok metod ve protokol vardır.

Güvenli Port Yedeklemesi (Redundancy)

Aynı cihazdaki iki port, hatalı ve yedek (redundant) hattı çok hızlı (1 saniyenin altında) anahtarlamak için varsayılan bir anahtarlama (switching) mekanizmasıyla bağlanabilirler.

Hat Toplamı

Aynı cinsten ve iki cihaz arasında pek çok hat, tümünün toplam band genişliğiyle tek bir mantıksal hat gibi çalışmak amacıyla anahtarlanabilirler. Eğer bu toplam hattan biri çalışmazsa, diğerleri çalışmaya devam edecek ve çalışmayan hattın yükünü anında üzerlerine alacaklardır(port anahtarlaması gerekli değildir). Sadece toplam band genişliği azalatacaktır.

 Kapsayan Ağaç (Spanning Tree) Protokolü

İki düğüm arasında birden çok bağlantı olup olmadığını Eğer STP’yi destekleyecek ağ cihazları kullanılıyorsa, her cihazın ağın mantıksal topolojisini hesaplamasını sağlamak için BPDU frame’leri hepsinin arasında transfer edilir. Eğer bir cihaz ya da hat çalışmazsa, topoloji tekrar hesaplanır ve yedek (redundant) hat yükünü üstlenmek için ileri (forward) durumuna anahtarlanırlar. Topoloji değişikliği 30 saniyeye kadar zaman alabilir.

Çifte Erişim (Dual homing)

Bu fonksiyonu destekleyen cihazlar iki farklı cihaza yedek (redundant) hatlarla bağlanabilirler. Eğer cihazlardan ya da hatlardan biri çalışmazsa, diğer hat bir saniyenin altında bir sürede yükü üzerine alır.

Halka Yedeklemesi (Redundancy)

Halka yedeklemeyi (ring redundancy) destekleyen cihazlar yedek (redundant) hattı halka (ring) topolojide anahtarlayabilir ve trafiği bir saniyenin altında tekrar yönlendirebilir.

Donanım Yedeklemesi (Redundancy)

Yukarıdaki ağla ilgili erişilebilirlik özellikleriyle birlikte cihazla ilgili yedekleme (redundancy) de dikkate alınmalıdır. Arızalı bir cihazla karşılaşmaktansa arızadan kaçınmak daha iyidir.

Modüler sistemlerde tek noktalarda arızalardan kaçınmak için çok imkan vardır. Her network cihazı değerlendirilirken masraf ve erişilebilirlik planlanmasının yapılması gerekmektedir.

Erkan Cirit

www.endustriyelethernet.com kurucusu ve yöneticisi

You may also like...

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir