Echte USB Emulation für KVM Switches und KVM Extender.

Whitepaper USB Emulation
Echte USB Emulation für KVM Switches und
KVM Extender.
» Transparente und zuverlässige
USB KVM Switching und Extension Technolgie.
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Enumeriertes USB
Black Box erklärt
USB, eine Macht für gute ... Verbindungen
Seit seiner Einführung 1995, ist der Universal Serial Bus (USB) Standard die bewährte Methode, um die unterschiedlichsten Peripheriegeräte
gleichzeitig am Rechner zu nutzen. Vor USB mussten viele verschiedene Schnittstellen berücksichtigt werden: Parallele Drucker wurden neben
seriellen Ports eingesetzt, Tastatur- und Maus-Anschlüsse drängten sich neben Joystick Ports und die SCSI Buchse konkurrierte mit der FireWire
Verbindung. Auf dem Computer waren Software Treiber und Anwendungen bis an die Grenzen der Möglichen installiert. USB bot, und bietet
noch, eine einheitliche Lösung für alle genannten Probleme. USB wird weitgehend unterstützt, es ist schnell und einfach anzuwenden. Diese
Simplizität wird durch harte Arbeit im Hintergrund erreicht. Dort laufen eine ganze Reihe sorgfältig definierter Prozesse ab, die sicherstellen, dass
Geräte und Rechner in einer koordinierten Weise zusammenarbeiten.
Einführung
Erinnern Sie sich an die guten alten Zeiten? Die Navigation im Auto erfolgte mittels Landkarten statt GPS. Mobiltelefone
waren so groß wie Ziegelsteine, und eine manuelle Taste an Ihrem KVM Switch schaltete zwischen den verbundenen
Rechnern um. Seitdem haben sich Computer hinsichtlich Geschwindigkeit und Anspruch stark verändert. Wie die Computer
haben sich auch Peripherie, KVM-Switche und -Extender entsprechend weiter entwickelt.
Als größte Herausforderung stellte sich hierbei die transparente und zuverlässige USB-Umschaltung heraus. USB ist für den
Anwender eine einfache Technologie, im Hintergrund aber laufen sehr komplexe Prozesse ab. Diese Prozesse bereiteten bei
der Umschaltung Probleme, die mit unterschiedlichen Lösungsansätzen gelöst wurden.
Enumeriertes USB Switching
Die frühesten Versuche zwischen USB-Geräten zu schalten lagen in einer Art „Hände weg“ Ansatz. Ein enumerierter USB
Switch ist das elektronische Äquivalent zu den frühen KVM-Switchen ohne Intelligenz. Der Name führt auf den Initialisierungsprozeß
(Enumeration) zurück, den jedes USB-Gerät durchläuft, wenn es mit einem Computer verbunden wird. Bei den enumerierten
Switches muss ein verbundenes USB-Gerät bei jeder Umschaltung wieder die volle Anmeldung durchlaufen, so als ob
es ganz neu an den Rechner angeschlossen würde.
Enumerierte Switche leiten einfach alle Signale zwischen Gerät und Computer gerade durch, sie versuchen nicht die Daten zu
interpretieren. Das ist sowohl ein Vor- wie auch Nachteil, je nach Art des verwendeten USB-Gerätes. Meistens ist es von Vorteil,
da der Switch ohne Unterbrechung und Leistungsverlust seine eigentliche Arbeit verrichten kann. Der Nachteil kommt bei
der USB-Tastatur und -Maus zum Tragen, da beide während dem Prozess die Kontrolle über das Switching verlieren. Auch ist
die Anzahl der Enumerierungen begrenzt. Zuverlässiges Switching stellt überhaupt ein Problem bei enumerierten Switches dar,
insbesondere in Verbindung mit bestimmten USB-Geräten und Betriebssystemen. Die nächste Herausforderung für die Techniker
stellte daher die Entwicklung eines zuverlässigeren USB Switches dar, der auf die verbundenen Geräte reagieren konnte.
Black Box erklärt
Was ist Enumeration?
Die USB Schnittstelle wurde entwickelt, um unterschiedlichste Peripherie problemlos mit einem Computer zu verbinden oder von diesem zu lösen.
Ein kritischer Teil bei diesem Vorgang ist die Enumeration. Wenn ein USB-Gerät mit einem Computer verbunden wird, stellt es sich dem Host vor und
der Host gibt ihm im Gegenzug eine eindeutige Identifikationsnummer zwischen 1 und 127. Dieser Prozess dauert zwischen einer und sieben Sekunden
(abhängig von der Anzahl der verbundenen USB-Geräte und dem Betriebssystem) und muss bei jeder neuen Verbindung mit dem Host wiederholt werden
- selbst wenn das Gerät bereits einmal mit dem Host verbunden war.
PC 1 bis 4
USB
Hub
Verbindung zum Gerät
USB Tastatur
USB Maus
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Innenansicht eines typischen
enumerierten USB Switches.
Tastatur und Maus sind über
einen Hub verbunden, der zu
einem einfachen elektronischen
Umschalter führt, welcher wiederum
auf den gewünschten
Rechner schaltet.

Emuliertes USB Switching
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Emuliertes USB
Die Kontrolle der Umschaltung mittels Tastatur und Maus funktionierte perfekt mit dem PS/2 Standard. Der einfache Datenfluss
der PS/2-Signale, machte das Lesen der Daten einfach, die Umschaltinformationen waren leicht herauszufiltern, die restlichen
Daten wurden für den Rechner neu verpackt. Dieselbe Funktionalität beim USB-Datenfluß zu erreichen, war aufgrund
der Komplexität des USB Standards und seiner Signale sehr viel schwerer.
Die Aufgabe wurde schliesslich mit der Entwicklung des emulierten USB Switches gelöst. Der Name sagt es schon, hierbei
werden die Eigenschaften der USB-Signale nachgebildet (emuliert), sobald die erforderliche Umschaltinformation aus dem
Datenstrom herausgefiltert wurde. Ein netter Nebeneffekt dieser Technik ist, dass dem Computer das ständige Vorhandensein
der USB-Geräte vorgetäuscht werden kann, selbst wenn Tastatur und Maus gerade tatsächlich auf einen anderen Rechner
aktiv geschaltet sind. Die Enumeration (Anmeldung) der USB-Geräte findet nur ein einziges Mal statt, und zwar wenn das verbundene
USB-Gerät zum ersten Mal eingeschaltet wird. Danach sieht der Rechner im wesentlichen nur noch eine schlafende
Version des USB-Gerätes, wenn dieses auf einen anderen Rechner geschaltet ist.
Auch wenn emulierte Switche viele der Anfangsprobleme mit den enumerierten Switches gelöst haben, gab es noch eine
wesentliche Einschränkung. Offen blieb die komplexe Aufgabe der dynamischen Übernahme der Identität eines USB-Gerätes
zur Weitergabe an alle verbundenen Computer unter Aufrechterhaltung aller notwendigen Signale, Zustände und Prozesse.
Viele Hersteller einschliesslich Black Box setzten auf ein festes Tastatur- und Mausprofil, das dem Computer unabhängig vom
tatsächlich angeschlossenen Set, vorgegeben wurde. Dieses verhindert aber die Verwendung von speziellen Tastaturbefehlen
oder Mausfunktionen oberhalb der Standardausführungen wie z.B. eine 5-Tasten Maus.
PC 1
PC 2
PC 3
PC 4
Perip.
Kontroller
Perip.
Kontroller
Perip.
Kontroller
Perip.
Kontroller
CPU
Host
Kontroller
USB Tastatur
USB Maus
Innenansicht eines typischen
emulierten USB Switches.
Tastatur und Maus sind mit dem Host
Kontroller (ein anspruchsvoller USB Hub)
verbunden. Die Signale werden durch
einen Mikroprozessor (CPU) geleitet,
der die Daten erfasst und die
Umschaltung ausführt.
Die aktive Verbindung wird über
den Peripherie Kontroller mit dem
gewählten Computer hergestellt.
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Echte USB Emulation
Echte Emulation
Weil emuliertes USB spezielle Tastaturen und Mäuse nicht unterstützen konnte, wurde die echte USB Emulation entwickelt.
Bei der Echten Emulation wird die komplette Identität von Tastatur und Maus kopiert und den verbundenen Rechnern gezeigt.
Auf dieses Weise wird jede Tastatur und jede Maus mit speziellen Tasten von den verbundenen Rechnern unterstützt.
Wie bei der vorherigen Emulation, wird den nicht aktiven Rechnern wiederum das ständige Vorhandensein von Tastatur und
Maus simuliert, um die Umschaltung durch Übergehen der Enumeration zu beschleunigen. Gleichzeitig erhöht diese Simulation
die Zuverlässigkeit des Systems, da es während der Enumeration am ehestens zu Problemen kommen kann.
Darüberhinaus führt ein neuer Hochgeschwindigkeits-Schaltkreis alle erforderlichen Zusatzaufgaben durch. Der sogenannte
„Emulationsmotor“ bildet die Identität der USB-Geräte vollständig nach und interpretiert die Datenströme von Tastatur und
Maus. Das Ergebnis ist eine komplette Unterstützung der KVM-Umschaltung über Hotkey (Tastaturbefehl), mittels der dritten
Maustaste oder dem Scrollrad. Für die lokale Kontrolle ist das sinnvoll, bei KVM über IP Anwendungen aber essentiell.
Da sonstige USB-Geräte neben USB-Tastatur und -Maus keinen Vorteil durch die Echte Emulation gewinnen, verfügen die
meisten KVM Switches und -Extender auch über ein oder zwei enumerierte Schaltkreise (grüne Markierung unten) neben den
beiden mit der echten Emulation (blaue Markierung). Die enumerierten USB Geräte erreichen ohne Fremdeingriff Ihre höchst
mögliche Geschwindigkeit. Somit können die verschiedensten USB-Geräte angeschlossen werden. Diese Schaltungen profitieren
dazu auch vom USB Hub, den sie gemeinsam mit den Echten emulierten Schaltungen nutzen. Da sie ständig direkt an
jeden Rechner gekoppelt sind, stabilisieren sie auch die schlafenden Verbindungen.
Die duale Schaltanordnung bietet auch eine höhere Flexibilität, das beide Kreise entweder gemeinsam oder auch unabhängig
voneinander nach Bedarf geschaltet werden können. So können verschiedene Peripheriegeräte mit unterschiedlichen Rechnern
zur gleichen Zeit arbeiten.
PC 1 - 4
Tech Support
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Fax 0811/5541-499
techsupp@black-box.de
USB
Hub
USB
Hub
USB
Hub
USB
Hub
Vertrieb
Emulationsmotor
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Host
Kon-
troller
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USB Tastatur
USB Maus
USB Gerät
Innenansicht eines Echten Emulierten
USB Switches.
Der emulierte Bereich des Switches ist blau
markiert und bedient nur Tastatur und Maus.
Dieser Bereich ist vom Emulationsmotor ab-
hängig, einem speziell entwickelten Schaltkreis
auf der Basis eines USB Hubs. Der Emulationsmotor
stellt sicher, dass alle Verbindungen im
aktiven Status verbleiben.
Der enumerierte Bereich des Switches ist grün
markiert. Er bedient alle weiteren USB-Geräte
und nutzt ebenso die einzelnen USB Hubs zur
Verbindung mit den verbundenen Rechnern.
Echte Emulation ist bereits in viele Black Box Produkte integriert. Dazu gehört der ServSwitch Wizard DVI, ein professioneller
8-Port DVI Dual-Link KVM Switch (KV2008A). Schließt ein Anwender Tastatur und Maus
an, emuliert der Wizard DL DVI simultan und akurat alle Zeichensätze einschliesslich
Zusatztasten und leitet sie an alle verbundenen Rechner weiter. Der Anwender teilt hochauflösendes
Video und bis zur vier USB-Geräte zwischen acht Rechnern. Der Wizard DL
DVI bietet zusätzlich echte DDC EDID Unterstützung und die Umschaltung zwischen den acht PCs via Hotkey, Maus oder
RS232/V.24. Stereo Audio wird unabhängig vom Videosignal geswitched. Er kann sogar mit anderen ServSwitch Wizards synchron
geschaltet werden. Gleiches können die kleineren 4-Port Versionen, die zusätzlich bis zu vier Videokanäle unterstützen.
Zu den Extendern mit Echter USB Emulation gehören die DVI KVM Extender der Serien ACS100, ACS200, ACS3000,
ACS4000 sowie AXC1K.
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