LAN-Prioritätsschalter - Zwei Rechner teilen sich einen Ethernet-Zugang exklusiv


Viele DSL-Router, die von Telekommunikationsanbietern zu günstigen Konditionen unters Volk gebracht werden, sind kleine Multitalente, doch der wichtige LAN-Anschluss ist oft nur noch in einfacher Ausführung vorhanden.
Wer mehrere Rechner über die sichere Kabelverbindung ans Internet bringen will, müsste einen stromfressenden Hub oder Switch nachschalten und bekäme gleich alle Vor- und Nachteile eines "Heimnetzwerks" aufgedrängt.
Bei genau zwei Rechnern, die nicht zur selben Zeit online sein müssen, reicht ein mechanischer LAN-Umschalter. Sowas gibt's fertig zu kaufen, aber die manuelle Bedienung kommt doch reichlich "retro" rüber. Hier eine automatische Variante, die obendrein dabei hilft, Prioritäten zu setzen.


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Idee

Warum jemand in der guten Stube kein "WLAN" brauchen oder wollen könnte, steht hier nicht zur Diskussion. Da musste schon selbst drauf kommen, was an dem Vernetzungswahn unserer Zeit grundsätzlich falsch läuft.

Hier geht's um eine robuste Lösung, die den kabelgebundenen Zugang zum Weltnetz für zwei richtige Computer regelt:
  1. Für den WAN-Zugang steht ein Kabel/DSL-Modem-Router mit genau einem LAN-Anschluss zur Verfügung.
  2. Zwei Rechner sollen über diesen Anschluss online gehen können, müssen dies aber nicht zur selben Zeit.
  3. Wir möchten jeden unkontrollierten Datenaustausch zwischen den beiden Rechnern vermeiden.
  4. Der Hauptrechner muss den LAN-Anschluss immer bekommen, sobald er eingeschaltet wird.
  5. Der Nebenrechner soll den LAN-Anschluss nur dann bekommen, wenn der Hauptrechner nicht in Betrieb ist.
Das sieht ja ganz nach einem sinnvollen Einsatzgebiet für einen LAN-Umschalter aus. Anders, als etwa beim Hub oder Switch, erfolgt die Zuteilung durch so einen Schalter exklusiv, das heißt, es kann zur gegebenen Zeit immer nur ein Teilnehmer mit dem LAN verbunden sein. Währenddessen ist der andere Teilnehmer technisch vom LAN abgetrennt, und zwar so, als wäre sein Netzwerkkabel abgestöpselt. Er kommt nicht ins Internet und kann auch nicht mit anderen Rechnern übers LAN kommunizieren.

Wenn wir ohnehin keine Querverbindung zwischen den Rechnern wünschen, dann ist diese hardwarebasierte Trennung ein reiner Gewinn für Sicherheit und Privatsphäre. Sie verhindert zum Beispiel, dass obskure Mickymaus-Protokolle auf einem Windows-Rechner andere lokale Netzwerkteilnehmer ausspionieren oder mit Schadsoftware (à la "WannaCry") infizieren. Sie begrenzt den Schaden, den ein Angriff aus dem Weltnetz anrichten könnte, effektiv auf den einen Rechner, der gerade online ist.

Die Schalterei verlangt dem Anwender jedoch Disziplin ab. Ärgerlich, wenn wir das Umschalten vergessen haben, und erst im Salon feststellen, dass die LAN-Verbindung nicht steht. Und schon geht die Rennerei los... Das könnten wir uns sparen, indem wir den Schaltvorgang direkt vom Betriebszustand des bevorrechtigten Computers abhängig machen: Bauen wir uns einen elektrisch betätigten LAN-Umschalter!


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Schaltung

Schematics: J. Thomas

Die Schaltung ersetzt einen mechanischen LAN-Umschalter für zwei Parteien. Für ein 10/100base-T-Ethernet sind die zwei Leitungspaare Tx und Rx zu schalten.

Anstelle eines 4-poligen mechanischen Umschalters nutzen wir zwei Miniaturrelais mit je zwei Umschaltkontakten. Hier handelt es sich um gewöhnliche, monostabile und unpolarisierte Relais, die allerdings besonders gut zum Schalten von Kleinsignalen geeignet sind. Re1 schaltet das Tx-Leitungspaar (1+2), Re2 schaltet das Rx-Leitungspaar (3+6) jeweils vom LAN-Router (Modularbuchse X1) auf einen der zwei Ziel-Ports (X2 oder X3) weiter. Die Aufteilung der Signalpfade für Rx und Tx auf separate Relais garantiert minimales Leitungsübersprechen.

Das Steuersignal kommt von einem USB-Port des bevorrechtigten Hauptrechners und gelangt über X4 zu den parallel geschalteten Erregerspulen von Re1 und Re2. Wird der Hauptrechner eingeschaltet, ziehen beide Relais an, und ihre Arbeitskontakte leiten den LAN-Anschluss des Routers (X1) an die LAN-Buchse für den Hauptrechner (X3) durch.

Wird der Hauptrechner ausgeschaltet, entfällt die USB-Spannung und die Relais fallen wieder ab. Dann geht der LAN-Anschluss vom Router über die Ruhekontakte auf die LAN-Buchse für den Nebenrechner (X2).

Die Freilaufdiode D1 vernichtet negative Spannungsspitzen, welche beim Abschalten der Magnetspulen entstehen, bereits an der Quelle, sodass wir uns nicht auf die Robustheit des USB-Ports verlassen müssen. Der Keramikkondensator C1 fällt ebenfalls in die Kategorie "Vorsorgeprinzip". Er schließt die Relaisspulen hochfrequenzmäßig mit Masse kurz, sodass der Übergang von gegentaktigen Hochfrequenz-Störungen in beide Richtungen zuverlässig abgeblockt wird. Anmerkung: Tatsächlich konnte ich mit einem empfindlichem HF-Tastkopf an den offenen Spulenenden keine eindeutigen Spuren von Ethernet-HF nachweisen. Das spricht vor allem für die differenzielle Ethernet-Übertragung, zeigt aber auch, dass die verwendeten Relais gute Symmetrie und HF-Eigenschaften aufweisen. (Laut Datenblatt liegt die unerwünschte Querkapazität zwischen offenen Kontakten und zwischen Kontaktsatz und Spule bei weniger als 2 pF, was bei den infragekommenden Frequenzen komplett vernachlässigbar ist.)

Genial oder trivial? Egal! So bekommen wir unsere vollautomatische LAN-Umschaltung mit Priorität für den Hauptrechner!

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Aufbauhinweise

Hochwertige Bauteile - sauber gefertigte Platine - handwerklich solide Ausführung.

Die Drahtbrücke unter Re1 muss zuallererst gesetzt werden, danach ist keine bestimmte Aufbaureihenfolge erforderlich.

Die empfohlenen Relais im gekapselten DIL-Gehäuse sind nach heutigen Maßstäben nicht einmal besonders hoch miniaturisiert, das Bestücken geht ganz ohne Mikroskop bequem von der Hand...

Bei den 8P-Modularbuchsen / RJ45-Steckverbindern gibt es durchaus größere Qualitätsunterschiede, also auch hier nicht unbedingt die billigste Variante nehmen. Eine feste Verbindung zur Platine ist bei den Modularbuchsen wichtig, damit mechanische Beanspruchungen nicht etwa über die Lötpins abgeleitet werden. Anderenfalls kommt es früher oder später zu Haarrissen im Bereich der Lötstellen, und wir dürfen uns mit Fehlern herumschlagen, die sich wie kalte Lötstellen verhalten und schwer zu finden sind. Sollte die Verankerung über die Kunststoffstifte zu wackelig erscheinen, können wir die Buchsen zusätzlich mit Sekundenkleber oder Heißkleber auf der Platine fixieren. Danach noch einmal alle Lötstellen erhitzen, um mechanische Spannungen zu lösen.

Abschirmung: Die Leitungsführung auf der Platine lässt sich nicht perfekt symmetrieren, sodass es in einem passiven Schalterkonzept immer leichte Dämpfungsverluste durch Hochfrequenz-Abstrahlung geben kann. (Die gibt es allerdings auch in jeder normalen LAN-Anschlussdose.) Umgekehrt könnten Störsignale von außen einkoppeln. Aus prinzipiellen Gründen empfehle ich daher, die ganze Schalteranordnung mindestens in ein Kunststoffgehäuse mit metallischer Bodenplatte oder gleich in ein Metallgehäuse einzubauen.

Gehäuse-Erdung über USB-GND: Das Platinenlayout sieht vor, dass die Masseverbindung über eine der Befestigungsschrauben hergestellt wird. Zusätzlich können wir Geflecht vom USB-Kabel direkt an den Metallkörper des Gehäuses legen.

Für die Zuführung des Schaltsignals benötigen wir ein USB-Kabel mit Typ-A-Stecker und zwei offenen Drahtenden am anderen Ende. Diese liefern den USB-Strom (VBUS, Pin 1) und USB-Masse (GND, Pin 4) an X4 auf der Platine. Die Kabellänge kann je nach Gegebenheiten frei bestimmt werden, sollte aber 2 Meter nicht überschreiten. Wenn wir einen USB-Typ-A-Stecker für Lötmontage verwenden, brauchen wir natürlich nur ein zweiadriges Kabel.
Bei einem handelsüblichen USB-Anschlusskabel mit Typ-A-Stecker trennen wir den Stecker am anderen Ende ab und legen die Adern und den Schirm frei. Für den LAN-Prioritätsschalter benötigen wir nur +5V (Rot) und GND (Schwarz). Die Datenleitungen D+/D- (Weiß und Grün) müssen abgeknipst und isoliert werden, um Kurzschlüsse zu vermeiden! Doch halt - Die Aderfarben sind laut USB-Spezifikationen lediglich Empfehlungen. Das wird in vielen Bastelanleitungen geflissentlich verschwiegen. Ich habe hier schon mehrfach USB-Kabel aus dem fernen Osten aufgeschnitten und fand wunderschöne Pastelltöne vor, die nicht im entferntesten auf das erwartete Farbschema schließen ließen. Oder die Farben wirken schlüssig, doch die Zuordnung stimmt gar nicht. Dann doch mal lieber jede Ader "durchpiepsen" und mit der Soll-Anschlussbelegung vergleichen! Kommt billiger, als zerschossene Hardware. Dem Chinamann ist genau genommen gar kein Vorwurf zu machen, wenn die Stecker an beiden Enden richtig angeschlossen waren, passt's ja wieder...

Das verwendete USB-Kabel muss in dieser Anwendung keinen Ferritring (Mantelwellenfilter) enthalten, aber wenn einer drauf ist, kann es auch nicht schaden.

Die reinen Bauteilekosten für dieses Projekt ohne Platine, Gehäuse und Verkabelung liegen unter 10 Euro.

Der Download enthält ein PDF-Arbeitsblatt mit Bestückungsplan und Stückliste, sowie das Platinenlayout.


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Inbetriebnahme

Alle verwendeten LAN-Kabel sind Standardkabel ("Cat.5" bzw. EIA/TIA-568A), 1-zu-1 durchverbunden (straight-through).

Der LAN-Prioritätsschalter muss sich wegen der benötigten USB-Schaltspannung relativ nah beim Hauptrechner befinden, aber er muss sich nicht zwangsläufig in der Nähe des Routers befinden. Was die Länge der Netzwerkkabel betrifft, die können wir so verlegen, wie es für die Verbindung von Router zum Schalter und von dort zu den zwei Teilnehmern am besten passt.



Bei Verbindungsproblemen sollte zunächst getestet werden, ob die nicht auch ohne Umschalter auftreten. Wenn es offensichtlich am Schalter liegt, dann stehen vergessene Drahtbrücken, Leiterbahnunterbrechungen, aber auch beschädigte oder verschmutzte Modularbuchsen ganz oben auf der Checkliste. Diese Netzwerkkabel verstauben sehr gern. Probeweises Durchtauschen oder Reinigen wirkt manchmal wahre Wunder.

Nachdem sich der Schalter einige Zeit bewährt hat, sollten wir die Platinenunterseite mit einem Schutzlack überziehen, der die feinen Leiterbahnen vor Korrosion schützt. Darauf achten, dass niemals Lack oder Fett an die empfindlichen Federleisten der RJ45-Buchsen gelangt.

Viel Spaß!


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Anmerkungen


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Lizenz

Alle Materialien zum Projekt "LAN-Prioritätsschalter" sind gemäß Creative Commons Zero zur allgemeinen Nutzung für sämtliche private, wissenschaftliche oder kommerzielle Zwecke freigegeben. Die Nutzung aller bereitgestellten Informationen erfolgt auf eigene Gefahr.
Wer meine Arbeit unterstützen will, möge dies in Form von konstruktiver Kritik (positiv oder negativ) oder Geldspenden (nur positiv) tun.

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07/2017, 08/2017