Viel mehr Strecke

Fachbeitrag elektrotechnik.de 12/2015

USB

Wer hat nicht schon einmal das „Turnschuh-Netzwerk“ bemüht, um Daten auszutauschen – im Labor Daten vom Messgerät auf einen USB-Stick kopiert und damit zum Arbeitsplatzrechner gelaufen? Das muss jetzt nicht mehr sein.

Schließlich wäre es viel praktischer, wenn man auf einen USB-Speicher gleich vom Arbeitsplatz aus zugreifen könnte. Halt, nein, geht nicht – ist ja weiter als fünf Meter entfernt. Doch Icron Technologies hat nun eine Lösung. Der Spezialist für den Anschluss von USB-Geräten an entfernt stehende Hostrechner hat damit die systembedingt limitierte Distanz aufgehoben. Die Schlüsselfunktion der unter dem Namen „ExtremeUSB“ patentierten Technologie ist die lokale Abwicklung des zeitkritischen Teils des USB-Protokolls. Dabei werden ein so genannter Local Extender (LEX) und ein Remote Extender (REX) eingesetzt. Der Hostrechner kommuniziert mit dem LEX, die Übertragung zum REX verwendet ein proprietäres Protokoll, das die Timing-Einschränkungen der USB-Spezifikation aufhebt. Im REX wird dieses wieder in USB umgesetzt, und der REX stellt 1 bis 4 USB-Ports zur Verfügung. Über ein Cat5e-Kabel lassen sich dabei Distanzen bis zu 100 m überbrücken, für noch weitere Strecken sind Glasfaserleitungen einzusetzen.

Eine neue Technologie hebt die Beschränkungen der Kabellänge bei USB-Anbindungen auf (© Baillou - Fotolia)
Eine neue Technologie hebt die Beschränkungen der Kabellänge bei USB-Anbindungen auf (© Baillou - Fotolia)

Das Extreme USB-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. Die Transparenz ermöglicht, 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.

Der erste Ansatzpunkt ist die zur Übertragung verwendete Leitung. CATx-Kabel sind heute überall verlegt, um Steuerrechner und SPS untereinander und mit einem Server zu vernetzen. Soll jetzt für die neu hinzukommende USB-Verbindung ein separates Kabel verlegt werden? Mit der Extreme USB-Technik werden die von LEX und REX kommenden Daten in IP-Pakete umgewandelt und in das bereits verlegte Netzwerkkabel eingeschleust. Sie teilen sich die Bandbreite mit dem übrigen Netzwerkverkehr. Dabei ist das Protokoll nicht auf ein LEX/REX-Paar beschränkt: Solange ausreichend Bandbreite – mindestens 100 Mbps (100 BaseT) – vorhanden ist, sind mehrere Paare installierbar. LEX und REX sind ab Werk gepaart, sie identifizieren sich und kommunizieren im Netzwerk über eine voreingestellte IP-Adresse. Dies funktioniert dabei auch über IP-Switches und Hubs.

Sind erst einmal mehrere USB-Teilnehmer (Hosts oder Devices) in einem Netzwerk vertreten, kann die nach der Inbetriebnahme gefundene Paarung aufgehoben und neu eingerichtet werden. Die entspricht dem ansonsten manuellen Abziehen des USB-Kabels und Verbinden mit einem neuen Device oder Host. Im eingangs beschriebenen Fall müssten sowohl das Messgerät als auch der Arbeitsplatzrechner an einen LEX angeschlossen sein, und der USB-Speicher an einen REX. Mit Switchable USB kann abwechselnd auf den Speicher zugegriffen werden.

Das Protokoll zur Verbindung der Devices ist über ein API zugänglich. Über einen im gleichen Netz befindlichen Steuerrechner sind die Paarungen neu konfigurierbar. LEX und REX müssen nicht paarweise auftreten, es kann auch ein Device nacheinander mit mehreren Hosts verbunden werden.

 

Bild: USB über LAN
Bild: USB über LAN

Extreme USB kann in die übertragenen Daten eingreifen und für spezielle Anforderungen den Datenstrom filtern.

Device Class Filtering: Jedes USB-Device meldet sich mit einer „Device Class“ am Host an. Extreme USB kann den Datenverkehr abfangen und über „Device Class Filtering“ bestimmte Typen zulassen oder die Kommunikation mit ihnen verhindern; etwa Kamera oder Tastatur. Damit prädestiniert es sich für sensible Bereiche, in denen Daten vertraulich bleiben sollen.

Hot Keys: Extreme USB 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.

Vendor Lock: Viele Anwendungen verlangen 100% Zuverlässigkeit. Mit dieser Funktion wird sichergestellt, dass nur „eigene“ auf der Extreme USB-Technologie basierende Systeme anschließbar sind. So können etwa die oben beschriebenen Funktionen nicht unterwandert und damit außer Kraft gesetzt werden.

Simultaneous User Interaction: Damit wird die Beschränkung von USB – Punkt-zu-Punkt-Verbindung – aufgehoben. Bis zu 4 Anwender an 4 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 zum Beispiel die Diskussion eines Befunds anhand einer Röntgen-Aufnahme.

Mass Storage Acceleration: Extreme USB fasst kleine Datenpakete zu größeren zusammen und reduziert den Overhead. Die Datentransferrate wird dabei um mehr als 60% gesteigert.

Extreme USB im vielfältigen Einsatz

Um den unterschiedlichen Anforderungen an den Integrationsgrad gerecht zu werden, sind Extreme USB-Lösungen in verschiedenen Konfigurationen verfügbar: Einmal als fertiges Gerät im Gehäuse, wobei auch eine kundenspezifische Bedruckung möglich ist. Ist ein separates Gehäuse nicht gewünscht, lässt sich die „Turnkey“ genannte Leiterplatte alleine im Kundengehäuse integrieren. Hierbei kann etwa die LEX-Leiterplatte eine USB A-Buchse für den Anschluss des Hosts und eine RJ45-Buchse für die Extreme USB-Strecke tragen. Um Switchable USB einzusetzen, müssen wenigstens 3 einzelne Extender-Einheiten (Lokal oder Remote) vorhanden sein, um eine Schaltfunktion durchzuführen (z. B. ein lokaler und zwei Remote). Jede Extender-Lösung lässt sich gemischt einsetzen. Für große Stückzahlen lohnt es sich, über eine Integration von Extreme USB als DIMM-Baugruppe oder auf IC-Basis in der eigenen Schaltung nachzudenken.

Ausblick: Obwohl USB3.0 und 3.1 aktueller Entwicklungsstand sind, haben die Vorgänger-Versionen noch ihre Berechtigung. Für viele und ganz besonders für als Eingabegerät verwendete USB-Devices wie Tastatur, Maus oder Touchscreen reicht die vorhandene Bandbreite aus, und die von Switchable USB ergänzten Funktionen machen USB 2.0 attraktiv für den Einsatz in Bereichen, wo es auf robusten und sicheren Betrieb ankommt. Switchable USB ergänzt Video-Kreuzschienen, die auf die Umschaltung von Grafik-Signalen ausgelegt sind, um die Umschaltung der USB-Geräte wie Tastatur und Maus.

 

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