USB in die Länge gezogen

Fachbeitrag Elektronik 04/2016

Die offizielle Spezifikation sieht für USB 2.0 eine maximale Kabellänge von 3 bzw. 5 Metern vor. Für viele industrielle Anwendungen ist das zu wenig. Ein Extender hebt diese Beschränkung auf. Und mit dem richtigen Extender lassen sich zusätzliche Funktionen realisieren, die man USB gar nicht zugetraut hätte.

Hier geht es nicht um das olympische Prinzip - schneller, höher, weiter -, sondern um eine altbekannte Schnittstelle. USB 2.0 ist als Interface sowohl im Konsumgüter- als auch im industriellen Bereich etabliert. Gerade in der Industrie wünschen Anwender weitergehende Funktionen, die so nicht in der Spezifikation des USB IF (Implementer's Forum) stehen. Welche Erweiterungen ExtremeUSB implementiert, ist im Folgenden beschrieben.

USB in die Länge gezogen
Bild: Bedrin - Shutterstock

lcron Technologies ist ein Spezialist für den Anschluss von USB-Geräten an entfernt stehende Host-Rechner. Die systembedingt limitierte Distanz wird dabei aufgehoben. Die Schlüsselfunktion der unter dem Namen ExtremeUSB patentierten Technologie ist die lokale Abwicklung des zeitkritischen Teils des USB-Protokolls. Dabei werden ein sogenannter Local Extender (LEX) und ein Remote Extender (REX) eingesetzt (Bild 1). Der Host-Rechner kommuniziert mit dem LEX, die Übertragung zum REX verwendet ein proprietäres Protokoll, das ohne die Timing-Einschränkungen der USB-Spezifikation auskommt. Im REX wird dieses wieder in USB umgesetzt, und der REX stellt einen bis vier USB-Ports zur Verfügung. Über ein Cat5e-Kabel können dabei Distanzen von bis zu 100 m überbrückt werden. Für noch weitere Strecken können Glasfaserleitungen eingesetzt werden.

Mit IP-Protokoll zu neuen Funktionen

Das ExtremeUSB-Verfahren ist für das Betriebssystem völlig transparent. Damit ist für den Extender selbst kein Software-Treiber erforderlich, lediglich für das angeschlossene USB-Gerät. Kompatibilitätsprobleme, die auf einer Unverträglichkeit eines Treibers beruhen, können damit ausgeschlossen werden. Nachträgliche Erweiterungen der Übertragungsdistanz können ohne Software Update durchgeführt werden, was insbesondere bei geschlossenen Systemen ein großer Vorteil ist. Dies ist eine gute Basis, um in die Kommunikation zwischen LEX und REX einzugreifen und dort Funktionen einzubringen, die mit der reinen Punkt-zu-Punkt-Verbindung einer USB-Strecke nicht realisierbar sind.

Bild 1: Zwischen Local und Remote Extender wird ein proprietäres Protokoll verwendet. Dadurch wird die Beschränkung der Kabellänge von USB aufgehoben.
Bild 1: Zwischen Local und Remote Extender wird ein proprietäres Protokoll verwendet. Dadurch wird die Beschränkung der Kabellänge von USB aufgehoben.

Der erste Ansatzpunkt ist die zur Übertragung verwendete Leitung: Wäre es nicht praktisch, anstelle eines separat verlegten CATx-Kabels, das ausschließlich für die Verbindung von LEX und REX verwendet wird, die Daten in IP-Pakete umzuwandeln und sie in ein bereits verlegtes Netzwerkkabel einzuschleusen? Genau das leistet die ExtremeUSB-Technik, indem sie die proprietären USB-Daten als IP-Pakete zusätzlich zum übrigen Netzwerkverkehr überträgt. Dabei wird der OSI-Layer 2 (Data Link Layer) verwendet. LEX und REX werden als Paar mit voreingestellten IP-Adressen ausgeliefert, das sich gegenseitig im Netzwerk identifiziert und die Kommunikation aufnimmt. Die Identifikation funktioniert dabei auch über IP Switches und Hubs, jedoch nicht über Router oder über die Grenzen eines Subnetzes hinaus, da hierbei die IP-Adressen manipuliert werden (Bild 2). Die minimal benötigte Bandbreite liegt bei 100 Mbit/s (100Base-T). Wie bei jedem Netzwerk sinkt die individuell verfügbare Bandbreite, je mehr Anwender und Geräte angeschlossen sind.

Theoretisch wäre es möglich, die Umwandlung von USB in IP bereits im Rechner vorzunehmen und das Signal an der Netzwerk-Schnittstelle abzugreifen. Dies macht jedoch den großen Vorteil der ExtremeUSB-Lösung zunichte, da dann ein Treiber benötigt würde, der vom Betriebssystem abhängig wäre, wodurch unerwünschte Interaktionen mit anderen Treibern und Kompatibilitätsprobleme nicht ausgeschlossen werden können.

Bild 2: Durch Umwandlung in IP-Datenpakete können die USB-Daten über bereits verlegte Ethernet-Kabel übertragen werden. Das funktioniert auch über Hubs und Switches.
Bild 2: Durch Umwandlung in IP-Datenpakete können die USB-Daten über bereits verlegte Ethernet-Kabel übertragen werden. Das funktioniert auch über Hubs und Switches.

SwitchableUSB - USB ohne Umstecken

Die nächste Erweiterung läuft unter der Bezeichnung SwitchableUSB. Sind erst einmal mehrere USB-Teilnehmer (Hosts oder Devices) in einem Netzwerk vertreten, wäre es praktisch, die nach der Inbetriebnahme gefundene Paarung aufzuheben und neu einzurichten. Dies entspricht dem ansonsten manuell durchgeführten Abziehen des USB-Kabels und Verbinden mit einem neuen Gerät oder Host.

Das Protokoll zur Verbindung der Geräte ist über ein API (Application Program Interface) zugänglich. Über einen im gleichen Netz befindlichen Steuerrechner - dies muss kein PC sein, ein Tablet PC oder eine Steuerung mit IP Interface tut es auch - können die Paarungen neu konfiguriert werden (Bild 3). LEX und REX müssen nicht paarweise auftreten; es kann auch ein Host nacheinander mit mehreren Devices verbunden werden oder ein Gerät wie z. B. ein USB-Drucker mit mehreren Hosts.

Da sich das Verfahren an die über USB ausgehandelte Betriebsart anpassen muss, liegt es nahe, hier einzugreifen und den Datenstrom zu filtern.

 

Bild 3: SwitchableUSB: Mehrere USB-Verbindungen teilen sich ein LAN.
(Bild anklicken für volle Größe)

Device Class Filtering

Jedes USB-Gerät meldet sich mit einer „Device Class" am Host an. Der Host passt die Übertragung an die Device Class an. ExtremeUSB kann den Datenverkehr abfangen und über eine „Device Class Filtering" genannte Funktion bestimmte Gerätetypen zulassen oder die Kommunikation mit ihnen verhindern. Dazu gehören z. B. über USB angebundene Speichermedien, Kameras oder Eingabegeräte wie Tastatur und Maus. Mit Device Class Filtering prädestiniert sich ExtremeUSB für den Einsatz in sensiblen Bereichen, in denen Daten vertraulich und innerhalb des Systems verbleiben sollen.

Hot Keys

ExtremeUSB kann bestimmte Muster, z. B. Tastendrücke, die ein HID-Device sendet , abfangen und zugeordnete Aktionen durchführen. Dies kann z. B. eine neue Paarung von Host und Device sein, oder der Aufruf eines bestimmten, normalerweise nicht zugänglichen Menüs für Service und Diagnose. Zur Kommunikation mit dem Server wird das oben beschriebene API eingesetzt.

Vendor Lock

Gerade Anwendungen in der Industrie, in der Medizintechnik oder beim Banking verlangen 100 Prozent Zuverlässigkeit. Werden vom Systemlieferanten nicht freigegebene USB-Komponenten eingesetzt, kann die Zuverlässigkeit kompromittiert werden, was zum Ausfall und kostspieligen Service-Einsatz führt. Mit dem „Vendor Lock" kann sichergestellt werden, dass nur eigene, auf der ExtremeUSB-Technologie basierende Systeme angeschlossen werden können. So können die oben beschriebenen Funktionen wie Device Class Filtering und Hot Keys nicht unterwandert und damit außer Kraft gesetzt werden.

Simultaneous User Interaction

Mit dieser Funktion wird die Beschränkung von USB - eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung - aufgehoben. Bis zu vier Anwender an vier verschiedenen Orten können gleichzeitig auf den gleichen Host zugreifen. Sie können quasi-simultan an einer Grafik arbeiten oder Dokumente online diskutieren und editieren. Eine Anwendung in der Medizintechnik ist z. B. die Diskussion eines Befunds anhand einer auf dem Bildschirm dargestellten Röntgen- oder CT-Aufnahme. Der Operateur im sterilen Bereich kann mit einem Experten, der sich außerhalb befindet, fragliche Bereiche zoomen und markieren.

Mass Storage Acceleration

Die ExtremeUSB-Technologie vermeidet die Verzögerung, die sich durch Akkumulierung der Turn-Around-Zeit ergibt, und beschleunigt die Datentransferrate um mehr als 60 Prozent. Dabei werden kleine Datenpakete zu größeren zusammengefasst und dadurch der Overhead reduziert.

Integration in eigene Designs

Um den unterschiedlichen Anforderungen an den Integrationsgrad gerecht zu werden, sind ExtremeUSB-Lösungen in verschiedenen Konfigurationen verfügbar: zunächst als fertiges Gerät im Gehäuse, wobei auch eine kundenspezifische Bedruckung, z. B. mit eigenem Logo, möglich ist. Ist ein separates Gehäuse nicht gewünscht, kann die "Turnkey" genannte Leiterplatte alleine im Kundengehäuse integriert werden. Für große Stückzahlen lohnt es sich, über eine Integration von ExtremeUSB als DIMM-Baugruppe oder auf IC-Basis in der eigenen Schaltung nachzudenken. Bild 4 zeigt die Turnkey-Baugruppen. Die LEX-Leiterplatte trägt eine USB-A-Buchse für den Anschluss des Host und eine RJ45-Buchse für die ExtremeUSB-Strecke. Auf dem REX sind die RJ45-Buchse und gegenüber die USB-Buchsen des Hubs erkennbar.

Um SwitchableUSB einzusetzen, müssen wenigstens drei einzelne Extender-Einheiten (Local oder Remote) vorhanden sein, um eine Schaltfunktion durchzuführen (z. B. ein lokaler und zwei Remote). Jede der oben aufgezählten Extender-Lösungen kann gemischt und eingesetzt werden.

 

Bild 4: Statt im Gehäuse gibt es die ExtremeUSB-Module auch als Leiterplatten zur Integration in ein eigenes Gerät; links der LEX, rechts der REX.
(Bild anklicken für volle Größe)

Robustheit wichtiger als Geschwindigkeit

Obwohl USB 3.0 und 3.1 den letzten, aktuellen Entwicklungsstand darstellen, haben die Vorgänger-Versionen ihre Berechtigung noch nicht verloren. Für viele und ganz besonders für als Eingabegerät verwendete USB-Geräte wie Tastatur, Maus oder Touchscreen reicht die vorhandene Bandbreite aus, und die von SwitchableUSB ergänzten Funktionen machen USB 2.0 attraktiv für den Einsatz in Bereichen, wo es auf robusten und sicheren Betrieb ankommt. SwitchableUSB ergänzt Video-Kreuzschienen, die auf die Umschaltung von Grafik-Signalen ausgelegt sind, um die Umschaltung der USB-Geräte wie Touchscreen, Tastatur und Maus.

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