Switches em PROFINET: qual é a diferença entre switch e hub?

No conteúdo anterior vimos que uma rede PROFINET pode assumir topologias em linha, estrela, árvore ou anel.

Existe um componente por trás de praticamente todas essas estruturas: o switch.

Às vezes ele aparece como um equipamento separado dentro do painel. Em outros casos nem o percebemos, porque a função de switching está integrada ao próprio IO Device.

Mas antes de entender sua importância no PROFINET, vale voltar um pouco na história da Ethernet e comparar switch e hub.

Hub Ethernet e switch fazem a mesma coisa?

Fisicamente, os dois podem parecer cumprir uma função semelhante: conectar vários equipamentos.

O funcionamento, porém, é completamente diferente.

Um hub Ethernet é essencialmente um repetidor multiporta.

Quando recebe um sinal por uma porta, ele o repete para as demais.

Ele não aprende em qual porta determinado endereço MAC está conectado e não toma uma decisão sobre qual é o destino daquele tráfego.

Podemos representar de forma bastante simplificada:

A transmite

↓

B, C e D recebem

Todos os participantes compartilham o mesmo meio Ethernet.

Historicamente, isso fazia parte das redes half duplex e do funcionamento baseado em CSMA/CD.

Se dois equipamentos tentassem transmitir ao mesmo tempo, poderia ocorrer uma colisão.

Esse modelo praticamente desapareceu das redes Ethernet industriais modernas.

Não confunda hub Ethernet com hub PROFIBUS

Apesar do nome parecido, a comparação deve parar por aí.

Um hub ou multirepetidor PROFIBUS é um equipamento ativo utilizado para criar diferentes segmentos elétricos e regenerar a comunicação entre eles.

O hub Ethernet antigo mantinha os equipamentos dentro de um meio Ethernet compartilhado.

São arquiteturas diferentes, utilizadas em tecnologias diferentes.

Por isso, não devemos utilizar o comportamento de um hub PROFIBUS para explicar como funciona um hub Ethernet.

O que o switch faz de diferente?

O switch trabalha com os quadros Ethernet e aprende quais endereços MAC estão acessíveis através de cada porta.

Imagine que ele aprendeu:

MAC A → porta 1

MAC B → porta 2

MAC C → porta 3

Quando chega um quadro destinado ao MAC B, o switch pode encaminhá-lo pela porta 2 em vez de simplesmente replicá-lo para todas as portas.

Essa informação fica armazenada em uma tabela conhecida como MAC address table, forwarding table ou FDB.

É importante não confundir essa tabela com ARP.

MAC table: relaciona endereço MAC à porta do switch.

ARP table: relaciona endereço IP a endereço MAC.

Os dois mecanismos participam da comunicação Ethernet/IP, mas possuem funções diferentes.

O switch envia todo quadro apenas para uma porta?

Não.

Esse é outro ponto importante.

Quando o destino é um endereço unicast conhecido, o switch normalmente encaminha o quadro somente para a porta na qual aquele endereço foi aprendido.

Mas existem outros tipos de tráfego.

Um quadro broadcast, por exemplo, precisa ser entregue aos participantes daquele domínio de broadcast e será enviado pelas portas correspondentes.

Também podem existir situações de multicast ou unknown unicast em que mais de uma porta recebe o quadro.

Portanto, o switch não elimina todo tráfego compartilhado.

Ele torna o encaminhamento muito mais seletivo do que o comportamento de um hub.

E as colisões?

Em uma rede Ethernet moderna com links comutados operando em full duplex, o dispositivo e o switch podem transmitir e receber simultaneamente.

Não existe disputa pelo mesmo meio compartilhado como ocorria com os hubs.

Consequentemente, em operação full duplex normal, não existem colisões e o CSMA/CD não é necessário naquele link.

A própria diretriz PROFINET da PI especifica switches adequados à tecnologia trabalhando em full duplex e afirma explicitamente que, nessas condições, não ocorrem colisões.

Por isso, encontrar contadores de colisão crescendo em uma interface Ethernet moderna merece investigação.

Pode existir, por exemplo, uma incompatibilidade de configuração de duplex ou outro problema de enlace.

O switch é obrigatório em PROFINET?

A função de switching é parte fundamental das arquiteturas PROFINET IO.

Isso não significa que precisamos instalar um switch externo entre todos os equipamentos.

Muitos dispositivos PROFINET possuem duas portas Ethernet conectadas internamente por um switch integrado.

É isso que permite construir uma topologia em linha:

A PI diferencia explicitamente o uso de switch integrado ao Device e switch separado.

Em uma topologia estrela, normalmente teremos um switch separado:

As duas soluções possuem vantagens e consequências diferentes.

Switch integrado ou switch separado?

Quando utilizamos os switches integrados dos próprios IO Devices, conseguimos construir linhas com menos equipamentos externos e menos cabeamento.

Mas existe uma consequência importante.

Se um equipamento intermediário perder alimentação e seu switch integrado também deixar de funcionar, os Devices localizados depois dele podem perder comunicação.

Em uma estrela com switch separado, retirar ou substituir um IO Device tende a afetar apenas aquele link.

Por outro lado, o próprio switch central passa a ser um componente relevante para a disponibilidade daquela parte da rede.

Por isso, não existe uma topologia universalmente melhor.

A escolha deve considerar disponibilidade, manutenção, custo, expansão e criticidade do processo.

Switch unmanaged ou managed?

Outra decisão importante é escolher entre switches não gerenciáveis e gerenciáveis.

Switch unmanaged

O unmanaged switch executa automaticamente sua função básica de switching.

Ele aprende os endereços e encaminha os quadros, mas normalmente oferece pouca ou nenhuma possibilidade de configuração ou diagnóstico pelo usuário.

Pode ser adequado a arquiteturas mais simples quando os requisitos da aplicação permitirem.

Mas existe uma desvantagem importante para manutenção:

se alguma coisa começa a acontecer em uma porta, temos pouca visibilidade sobre aquilo.

Switch managed

Um managed switch acrescenta recursos de configuração e diagnóstico.

Dependendo do equipamento, podemos visualizar informações como:

• status das portas;
• velocidade do link;
• quantidade de tráfego;
• erros e descartes;
• vizinhos conectados;
• topologia;
• eventos;
• estado da redundância.

Também podem existir recursos como VLAN, QoS, port mirroring, MRP e diferentes mecanismos de controle da rede.

Isso transforma o switch em uma fonte muito valiosa de informação para manutenção.

A PI recomenda o uso de managed switches inclusive quando eles não são estritamente necessários à classe de conformidade, justamente pelas vantagens de diagnóstico.

Todo managed switch é um switch PROFINET?

Não.

Um switch Ethernet gerenciável pode possuir uma grande quantidade de recursos e ainda assim não oferecer todas as funcionalidades esperadas em determinada arquitetura PROFINET.

Dependendo da aplicação e da Conformance Class, precisamos verificar características específicas e a certificação adequada.

Entre os recursos particularmente relevantes em PROFINET estão:

• priorização de tráfego;
• LLDP;
• diagnóstico;
• redundância;
• suporte à velocidade necessária;
• integração com as ferramentas de engenharia;
• compatibilidade com a Conformance Class utilizada.

Portanto, a escolha não deveria ser apenas:

“Preciso de um switch de oito portas.”

A pergunta mais útil é:

“Quais funções essa parte da rede precisa suportar?”

QoS e prioridade do tráfego PROFINET

Nem todo tráfego Ethernet possui a mesma importância temporal.

Os dados PROFINET RT precisam receber tratamento adequado em relação a determinados tipos de tráfego não real-time.

Para isso, PROFINET utiliza mecanismos de priorização definidos no IEEE 802.1Q/802.1p.

A PI ressalta que a priorização do tráfego PROFINET depende do suporte apropriado a QoS nos switches utilizados.

QoS, porém, não significa criar capacidade de rede.

Se um link estiver mal dimensionado ou congestionado, priorização não aumenta sua largura de banda.

Ela define qual tráfego deve receber preferência quando diferentes fluxos competem pelos recursos disponíveis.

LLDP: por que ele é tão importante?

LLDP significa Link Layer Discovery Protocol.

Ele permite que equipamentos anunciem informações sobre si mesmos aos vizinhos diretamente conectados.

No contexto PROFINET, isso tem uma aplicação muito importante: descobrir quem está conectado a qual porta.

Com essas informações podemos construir uma visão da topologia da rede.

Isso é extremamente útil durante comissionamento, documentação e diagnóstico.

A própria PI ressalta que a obtenção automática de topologia depende da capacidade dos participantes de fornecer essas informações.

Por isso, um switch que não oferece visibilidade sobre sua vizinhança pode funcionar para encaminhar quadros e, ainda assim, criar um ponto cego para manutenção.

Port mirroring

Outro recurso muito útil para diagnóstico é o port mirroring.

Imagine que queremos analisar tudo o que entra e sai pela porta onde está conectado um Controller.

Em uma rede comutada, simplesmente conectar um analisador em outra porta do switch não significa que ele verá todo esse tráfego.

O switch encaminha os quadros apenas para onde eles precisam ir.

Com port mirroring, podemos configurar uma porta para receber uma cópia do tráfego de outra.

A PI trata port mirroring como um recurso útil para diagnóstico, mas também alerta que nem todo managed switch possui essa funcionalidade.

Se essa função fará parte da estratégia de análise da planta, deve ser verificada antes da compra.

E a redundância?

Em topologias PROFINET em anel, precisamos de um mecanismo adequado para controlar os caminhos redundantes.

Um dos mecanismos mais utilizados é o MRP, Media Redundancy Protocol.

Para implementar esse tipo de redundância precisamos selecionar switches e dispositivos compatíveis com a arquitetura escolhida e configurá-los corretamente.

A PI relaciona a implementação da redundância PROFINET a switches gerenciáveis compatíveis com o protocolo necessário.

STP e RSTP existem no universo Ethernet e podem aparecer em outras partes da infraestrutura, mas não devem ser tratados como substitutos genéricos do mecanismo de redundância planejado para a célula PROFINET.

E VLAN?

VLAN permite dividir logicamente uma infraestrutura Ethernet em diferentes domínios de camada 2.

É um recurso encontrado em muitos switches gerenciáveis.

Mas existem dois cuidados.

Primeiro, nem todo switch Layer 2 suporta configuração de VLAN. Isso depende das funcionalidades implementadas.

Segundo, VLAN não deve ser tratada automaticamente como firewall.

Ela oferece segmentação lógica. O controle efetivo da comunicação entre diferentes segmentos pode envolver roteamento, ACLs, firewalls e outras políticas.

Já aprofundamos esse conceito anteriormente nesta jornada.

E PoE?

Power over Ethernet permite alimentar determinados equipamentos através do próprio cabo Ethernet.

É um recurso útil para câmeras, access points, sensores e outros equipamentos compatíveis.

Mas PoE não deve ser confundido com Ethernet-APL.

Embora ambas as tecnologias possam transportar comunicação e energia através do cabeamento, possuem arquiteturas, meios físicos, requisitos e aplicações diferentes.

Ethernet-APL foi desenvolvido especificamente para levar Ethernet até instrumentos de automação de processos, inclusive em aplicações com requisitos próprios de áreas classificadas.

São conceitos diferentes.

Por que os switches são tão importantes para diagnóstico?

Essa talvez seja a diferença mais importante quando comparamos uma rede Ethernet industrial com tecnologias fieldbus tradicionais.

Em PROFINET, a infraestrutura ativa pode nos contar bastante sobre aquilo que está acontecendo.

Imagine que um dispositivo perde comunicação de forma intermitente.

Um managed switch pode oferecer evidências como:

• link subindo e descendo;
• erros de entrada;
• erros de saída;
• descartes;
• velocidade negociada;
• quantidade de tráfego;
• vizinho conectado;
• estado da porta;
• eventos relacionados à redundância.

Essas informações ajudam a reduzir a investigação.

Em vez de apenas saber que “o Device caiu”, podemos procurar em qual link o comportamento anormal começou.

É justamente por isso que switches gerenciáveis são tão valiosos em redes nas quais disponibilidade e manutenção têm peso elevado.

Como o TS Monitor PROFINET utiliza essas informações?

O TS Monitor PROFINET trabalha com informações provenientes dos dispositivos e da infraestrutura para acompanhar continuamente a rede.

Entre os dados documentados pela TS estão informações de portas como tráfego de entrada e saída, erros, velocidade do link, estado da interface e dados utilizados para construção da topologia.

Isso mostra uma diferença importante entre simplesmente possuir um switch e efetivamente utilizar as informações que ele disponibiliza.

Um managed switch pode armazenar muitos dados úteis.

O monitoramento contínuo permite acompanhar esses indicadores ao longo do tempo e identificar mudanças que dificilmente seriam percebidas em uma consulta pontual.

O switch deixou de ser apenas um multiplicador de portas

Essa é a principal ideia deste conteúdo.

Em uma rede PROFINET, o switch participa diretamente da arquitetura de comunicação.

Ele define caminhos, permite construir diferentes topologias e, quando possui recursos de gerenciamento, também pode fornecer informações importantes para diagnóstico, redundância e manutenção.

Por isso, a escolha deveria considerar não apenas: quantas portas precisamos?

Mas também:

• qual Conformance Class a aplicação exige?
• precisamos de redundância?
• precisamos reconstruir a topologia automaticamente?
• queremos visualizar erros de porta?
• será necessário port mirroring?
• quais velocidades precisam ser suportadas?
• o ambiente exige IP20 ou instalação em campo?
• a equipe precisa gerenciar o equipamento remotamente?

Um switch inadequado pode até permitir que a rede comece a comunicar.

Mas isso não significa que ele atenderá às necessidades de desempenho, disponibilidade e diagnóstico da aplicação.

Entender essas diferenças é o primeiro passo para especificar a infraestrutura PROFINET de maneira mais consciente.