KVM Switching mit echter USB Emulation

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Black Box erklärt:
KVM Switching mit echter
USB Emulation
KVM Switching
mit transparenter und zuverlässiger USB
Technologie
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung ..........................................................................................................................................................................3
2. USB, die starke Kraft für Verbindungen ..............................................................................................................................3
3. Enumeriertes (zählendes) KVM USB Switching ...................................................................................................................3
3.1 Was ist eine Enumeration? ................................................................................................................................................4
4. Emuliertes (nachgebildetes) KVM USB Switching .................................................................................................................5
5. KVM Switching mit echter USB Emulation ..........................................................................................................................6
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1. Einleitung
Erinnern Sie sich an die guten alten Tage? Für Reisen mit dem Auto benötigte man eine Strassenkarte statt eines GPS-Navigators,
Handys waren viel zu gross, um sie zu verlieren und eine Taste an Ihrem KVM Switch schaltete Sie auf den verbundenen nächsten
Rechner auf eine Art und Weise, die eher dem Zeitalter der Dampfmaschinen als der Silicon Aera entsprach. Seitdem haben
sich Computer bezüglich Geschwindigkeit und Ansprüchen extrem weiter entwickelt. Gleiches trifft auch auf die Computer
Peripherie zu. Folglich wurden auch die KVM (Tastatur/Maus/Monitor) Umschalter kontinuierlich weiter entwickelt, um den
neuen Anforderungen gerecht zu werden. Eine Problemstellung war lange Zeit eine besonders harte Nuss zum Knacken:
Wie schaltet man zwischen USB Geräten transparent und verlässlich um?
Die Schwierigkeit dabei ist, dass USB, äusserlich betrachtet, als eine einfache Technologie erscheint, unter der Oberfläche
verbergen sich aber mehr und komplexere Abläufe als man erwartet. Diese Abläufe verursachen viele Fragestellungen, für
die es die unterschiedliche Lösungen gibt.
2. USB, die starke Kraft für Verbindungen
Seit seiner Einführung 1995, hat sich der USB (Universal Serial Bus) Standard als erfolgreiche Lösung eines gravierenden
Problems bestätigt. USB bietet einen wirklich einfachen Weg, um unterschiedlichste Geräte kompatibel miteinander zu
verbinden.
Vor der Einführung von USB, boten die rückwärtigen Anschlüsse am PC einen Querschnitt durch die Geschichte: Parallele
Druckerports lagen neben seriellen Ports; Tastatur und Maus drängelten sich um den Joystick-Eingang und SCSISchnittstellen
konkurrierten mit FireWire Verbindungen. Innen sah es nicht besser aus. Es gab eine endlose Reihe von Software
Treibern und Applikationen, und jede der Schnittstellen war bereits bis an Ihre Grenzen ausgelastet. Apple Mac Computer
erzählten in den ‘90iger Jahren eine ähnliche Geschichte, wenn auch ein weinig besser koordiniert durch den Erzeuger.
USB war und ist die ganzheitliche Lösung für alle diese Probleme. Dieser Standard hat sich durchgesetzt, weil er vielfach
unterstützt wird, schnell (in der Version 2.0) und einfach anzuwenden ist. Die einfache Anwendbarkeit beruht auf harter Arbeit
im Hintergrund. Dort ermöglichen eine ganze Reihe sorgfältig definierter Prozesse, dass ein Gerät mit dem Computer
koordiniert zusammenarbeitet.
3. Enumeriertes (zählendes) KVM USB Switching
Die frühesten Versuche USB-Geräte umzuschalten, hielten sich aus der USB Technologie selbst heraus. Sie sind das
elektronische Äquivalent zu den frühen KVM Switches mit mechanischer Umschalttaste ohne jede Intelligenz. Der Name
leitet sich aus dem Anmeldeprozess (Enumerierung) ab, den jedes USB Gerät durchläuft, wenn es mit einem Computer
verbunden wird.
Enumerierte Switche tragen diesen Namen, da die verbundenen USB-Geräte nach jedem Umschalten wieder den gesa-
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mten Anmeldeprozess durchlaufen, so als ob sie entfernt und wiederum neu angeschlossen wurden.
Enumerierte Switche leiten einfach alle Signale zwischen USB Gerät und Computer durch ohne den Versuch einer Dateninterpretation.
Das hat sowohl Vor- als auch Nachteile, je nachdem welches USB-Gerät verbunden ist. Bei den meisten
Geräten ist es ein Vorteil, denn so ermöglicht der Switch dem USB Gerät und dem Computer ihre gewohnten Abläufe ohne
Einmischung oder gar Leistungsminderung. Der Nachteil wird dann offensichtlich, wenn USB-Tastaturen oder USB-Mäuse
nicht mehr zum Umschalten zwischen den Rechnern verwendet werden können. Diese schnelle und einfache Umschaltmethode
wird aber von den meisten Anwendern erwartet, insbesondere bei der Verwendung spezieller USB-Geräte oder
besonderer Betriebssysteme.Die Schwierigkeit dabei ist, dass USB, äusserlich betrachtet, als eine einfache Technologie
erscheint, unter der Oberfläche verbergen sich aber mehr und komplexere Abläufe als man erwartet. Diese Abläufe verursachen
viele Fragestellungen, für die es die unterschiedliche Lösungen gibt.
Innenansicht eines typischen enumerierten USB Switches.
PC
1
USB
KEYBOARD
PC
2
USB
HUB
USB
MOUSE
PC
3
PC
4
3.1 Was ist eine Enumeration?
Tastatur und Maus sind mit einem Hub verbunden, der beide über einen einfachen
elektronischen Umschalter dem gewählten Computer zuteilt.
Die nächste Herausforderung bestand folglich darin, einen zuverlässigen USB
Switch zu schaffen, der die angeschlossenen USB-Gerät “versteht” würde.
Die USB Schnittstelle wurde von vorn herein so entworfen, dass die unterschiedlichsten Geräte jederzeit mit einem Computer
verbunden oder vom ihm getrennt werden können. Ein kritischer Teil bei diesen Prozessen ist die Enumeration. Wenn
ein USB Gerät angeschlossen wird, stellt es sich dem Host Computer zuerst vor. Der Host Computer weist dann dem Gerät
eine eigene Erkennungs-nummer zu, die zwischen 1 und 127 liegt. Dieser Vorgang dauert zwischen einer und sieben
Sekunden (abhängig von der Anzahl der verbundenen Geräte und dem Betriebssystem). Der Vorgang muss jedes Mal wie-
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derholt werden, wenn ein Gerät mit dem Host verbunden wird – selbst wenn es erst kurz davor getrennt wurde.
4. Emuliertes (nachgebildetes) KVM USB Switching
Die Kontrolle über das KVM Switching mittels Tastatur und Maus wurde schon vor vielen Jahren perfektioniert, allerdings
gilt dies nur für PS/2 Geräte. Deren Datenströme sind einfach aufgebaut, lassen sich leicht lesen und die Informationen für
die Switchingkontrolle sind schnell herausgefildert, bevor die verbleibenden Daten dem Rechner übermittelt werden. Den
gleichen Prozess für USB Datenströme zu erreichen, war extrem schwierig, da der USB Standard und seine Signale viel
komplexer aufgebaut sind.
Letztendlich wurde auch dieses Problem gelöst. Das Ergebnis sind KVM Switche mit emuliertem USB. Wie der Name schon
sagt, werden die Charakteristiken der verbundenen USB Geräte nachgebildet (emuliert), sobald die Switching Information
aus dem Datenstrom entfernt ist.
Ein schöner Nebeneffekt dieser Technik ist, dass dem Rechner auf diese Weise vorgetäuscht werden kann, dass ein USB
Gerät permanent mit ihm verbunden ist. Also auch dann, wenn das USB Gerät tatsächlich gerade auf einen anderen Rechner
geschaltet ist. Der Enumerationsprozess (Anmeldung) der verbundenen USB Geräte erfolgt jetzt nur noch ein einziges
Mal beim Einschalten. Danach sieht der Rechner lediglich ruhende USB Geräte, wenn Tastatur und Maus für einen anderen
Rechern aktiv sind.
Die emulierten USB KVM Switche gleichen viele Defizite der enumerierten Switche aus. Dennoch ist auch Ihr Betrieb einer
grossen Beschränkung unterworfen. Offen bleibt die komplexe Aufgabe, die Identität eines USB Gerätes dynamisch zu
erkennen, seine vollständige Charateristik an alle Rechner zu übermitteln und alle notwendigen Signale, Zustände und
Prozesse während des Betriebes aufrecht zu erhalten.
Daher haben die meisten Hersteller zu dem Trick gegriffen, dem Switchingsystem ein festgelegtes Tastatur- und Mausprofil
vorzugeben, völlig unabhängig von den tatsächlich angeschlossenen Geräten. Diese Vorgabe verhindert aber die Ausführung
von speziellen Tastatur- und Mausfunktionen, die die Standardausführung übertreffen.
Tastatur und Maus sind mit einem Host Controller (fortschrittlicher USB Hub) verbunden, dieser wiederum mit einem Mikroprozessor,
der die Datenerfassung und das Switching ausführt. Die aktive Verbindung wird dann über einen Peripherie
Controller auf den gewählten Rechner geschaltet. Innenansicht eines typischen emulierten USB Switches (siehe nachstehende
Grafik).
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PHRL
CTLR
PC
1
USB
KEYBOARD
HOST
CONTROLLER
PHRL
CTLR
PC
2
CPU
USB
MOUSE
PHRL
CTLR
PC
3
PHRL
CTLR
PC
4
5. KVM Switching mit echter USB Emulation
Lange wurde nach einer Lösung geforscht, die die Beschränkungen des emulierten USB aufhebt und USB Tastaturen und
Mäuse mit Mehrfunk-tionen unterstützt. Das stolze Ergebnis sind KVM Switches mit echter USB Emulation.
Echte USB Emulation erlaubt zum ersten Mal die vollständige Nachbildung der Tastatur- und Maus-Identität an allen verbundenen
Rechnern. Dadurch werden auch Tastaturen mit Sondertasten sowie Mäuse mit speziellen Funktionen von jedem
verbundenen Rechner zu 100% unterstützt. Die nicht gewählten Rechner sehen weiterhin die Identität von Tastatur und
Maus, so dass kein Enumerationsprozess bei einer erneuten Aufschaltung erforderlich ist. So wird nicht nur die Umschaltgeschwindigkeit
erhöht, auch die Zuverlässigkeit steigt, da USB Verbindungen während des Enumerationsprozesses am
anfälligsten sind.
Für die KVM Switches mit echter USB Emulation von Black Box wurden zudem spezielle Hochgeschwindigkeits-Schalt-
kreise entwickelt, die die vielen neuen Aufgaben leicht bewältigen können. Diese sogenannten “Emulations-Motoren” sind
nicht nur für die vollständige Emulation der Identität aller USB Geräte zuständig, sie interpretieren auch die Datenströme
von Tastatur und Maus. Das Ergebnis ist eine vollständige und schnelle Kontrolle über das Switchingsystem mittels Hotkey
(Tastaturbefehl), der dritten Maustaste oder dem Mausrad. Für lokale Installationen mag dieser Vorteil nur eine nette
Arbeitserleichterung sein, für KVM Switching über TCP/IP-Verbindungen sind diese Kontrollfunktionen aber eine absolute
Notwendigkeit.
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Während der Entwicklung stellte sich heraus, dass die echte USB Emulation von Tastatur und Maus für andere USB-Geräte
häufig nicht erforderlich ist. Daher befinden sich in unseren neuen KVM Switches auch ein oder zwei enumerierte Schaltkreise
(im Diagramm links grün gekennzeichnet) neben den Schaltkreisen mit echter USB Emulation (im Diagram blau gezeichnet).
Die enumerierten USB Geräte können mit voller USB 2.0 Geschwindigkeit ohne Beeinträchtigung arbeiten. Zudem
profitieren die enumerierten Geräte von den gemeinsam genutzen USB Hubs des echten Emulationssystems.
Da ihre Schnittstelle direkt und permanent mit jedem Computer verbunden ist, werden die ruhenden Verbindungen stabilisi-
ert und Fehler treten beim Enumerationsprozess seltener auf.
Die duale Switching Anordung führt zu höherer Flexibilität, weil die enumerierten und echt emultierten Bereiche entweder
gemeinsam oder aber auch unabhängig von einander geschaltet werden können. Je nach Bedarf können damit verschie-
dene Peripheriegeräte mit unterschiedlichen Rechnern zur selben Zeit arbeiten.
Innenansicht eines echten emulierten USB Switches.
USB
KEYBOARD
USB
HUB
PC
1
USB
MOUSE
HOST
CONTROLLER
EMULATION
ENGINE
USB
HUB
PC
2
USB
HUB
PC
3
OTHER USB
DEVICE
USB
HUB
PC
4
Der echt emulierte, blau gekennzeichnete Bereich verarbeitet nur Tastatur
und Maus. Der Bereich wird vom Emulationsmotor gesteuert, der wiederum
eng mit den USB-Hubs zusammenarbeitet. Die Aufgabe der USB Hubs ist
die Aufrechterhaltung aller Rechnerverbindungen.
Die grüne enumerierte Sektion des Switches verarbeitet die übrigen USB
Geräte und nutzt ebenso die USB Hubs zur Verbindung mit den Rechnern.
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