Verbindungstechnik USB-Aktionsradius: 5-Meter-Beschränkung aufgehoben

Autor / Redakteur: Rudolf Sosnowsky* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

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? Viel praktischer wäre es doch, wenn man gleich vom Arbeitsplatz aus zugreifen könnte? Halt, nein, geht nicht – ist ja weiter als 5 m entfernt. Doch, jetzt ist eine Lösung da.

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Eine neue Technologie hebt die Beschränkungen der Kabellänge auf und ermöglicht damit abgesetzte USB-Anbindungen bis zu 10 km über Glasfaser oder 100 m mit Kupferkabel.
Eine neue Technologie hebt die Beschränkungen der Kabellänge auf und ermöglicht damit abgesetzte USB-Anbindungen bis zu 10 km über Glasfaser oder 100 m mit Kupferkabel.
(Bild: © Baillou - Fotolia)

Icron Technologies ist Spezialist für den Anschluss von USB-Geräten an entfernt stehende Hostrechner. 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 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 von bis zu 100 m überbrücken, für noch weitere Strecken Glasfaserleitungen einsetzen.

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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.

Mit IP-Protokoll zu neuen Funktionen

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.

Switchable USB – USB ohne Umstecken

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 manuell durchgeführten 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 (Application Programm Interface) 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.

Noch mehr Möglichkeiten mit Extreme USB

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 die Funktion „Device Class Filtering“ bestimmte Device-Typen zulassen oder die Kommunikation mit ihnen verhindern. Dazu gehören z.B. über USB angebundene Speichermedien, Kameras oder Eingabegeräte wie Tastatur und Maus. Damit prädestiniert sich Extreme USB für den Einsatz in sensiblen Bereichen, in denen Daten vertraulich und innerhalb des Systems verbleiben 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. 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% Zuverlässigkeit. Werden vom Systemlieferanten nicht freigegebene USB-Komponenten eingesetzt, kann diese kompromittiert werden, was zum Ausfall und kostspieligen Serviceeinsatz führt. Mit dem „Vendor Lock“ lässt sich sicherstellen, dass nur „eigene“ auf der Extreme USB-Technologie basierende Systeme anschließbar sind. 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 4 Anwender an 4 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 an Hand einer auf dem Bildschirm dargestellten Röntgen- oder CT-Aufnahme.
  • Mass Storage Acceleration: Die Extreme USB Technologie fasst kleine Datenpakete zu größeren zusammen und reduziert den Overhead. Die Datentransferrate wird dabei um mehr als 60% gesteigert.

Extreme USB im Einsatz

Um den unterschiedlichen Anforderungen an den Integrationsgrad gerecht zu werden, sind Extreme USB-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, lässt sich die „Turnkey“ genannte Leiterplatte alleine im Kundengehäuse integrieren. Für große Stückzahlen lohnt sich, über eine Integration von Extreme USB als DIMM-Baugruppe oder auf IC-Basis in der eigenen Schaltung nachzudenken.

Bild 6 zeigt die Turnkey-Baugruppen. Die LEX-Leiterplatte trägt eine USB A-Buchse für den Anschluss des Hosts und eine RJ45-Buchse für die Extreme USB-Strecke. Auf dem REX sind die RJ45-Buchse und gegenüber die USB-Buchsen des Hubs erkennbar.

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.

Ausblick: USB 2.0 bleibt attraktiv

Obwohl USB3.0 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-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 Touchscreen, Tastatur und Maus.

* *Rudolf Sosnowsky, Leiter Marketing und Applikation bei HY-Line Computer Components Vertriebs GmbH, Unterhaching

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