mrxSwitch: der kleinste und günstigste Open-Source-Netzwerkswitch der Welt

 (docs.murexrobotics.com)
1 Punkte von GN⁺ 2024-06-17 | 1 Kommentare | Auf WhatsApp teilen
  • mrxSwitch ist ein vollständig Open-Source-veröffentlichter, unverwalteter 5-Port-100BASE-TX-Ethernet-Switch von MUREX Robotics, der mit Fokus auf Miniaturisierung und niedrige Kosten entwickelt wurde
  • Die Hardware nutzt einen IP175Gx Switch IC, externe Magnetics und Fast-Ethernet-Steckverbinder mit 1,25-mm-Rastermaß und regelt eine Eingangsspannung von bis zu 15 V auf eine Betriebsspannung von 3,3 V herunter
  • V2 misst 44,9 mm × 42,2 mm und zielt mit 4-Layer-Board, Bob-Smith-ähnlicher Terminierung, 100-Ω-Differential-Pairs, magnetischen Transformatoren und Common-Mode-Chokes auf IEEE-802.3-Konformität ab
  • Sowohl V2.0 als auch V1.0 wurden getestet und ihre Funktion bestätigt; die V2-Board-Layout-Dateien und ein Blogbeitrag zu V1 sind veröffentlicht
  • In V2 wurde die Größe um 30 % reduziert, die BOM-Kosten sanken um 15 %; zwei QT24A23 wurden durch QT48A03 ersetzt sowie Konfigurationsbauteile und EEPROM entfernt

Design und Einsatzbereiche des mrxSwitch

  • mrxSwitch, auch MUREX Ethernet Switch genannt, ist ein unverwalteter 5-Port-100BASE-TX-Switch auf Basis des IP175Gx Ethernet Integrated Switch IC
  • Er kann eine Eingangsspannung von bis zu 15 V aufnehmen und wandelt sie auf die Betriebsspannung von 3,3 V herunter
  • Das Board ist zur Reduzierung von Rauschen als 4-Layer-Design ausgelegt
  • An allen Center Taps wird eine Bob-Smith-ähnliche Terminierung eingesetzt, die Differential-Pairs sind auf 100 Ω berechnet
  • Zur angestrebten Einhaltung des IEEE-802.3-Standards werden 10 Paare magnetischer Transformatoren und Common-Mode-Chokes verwendet
  • V2 misst 44,9 mm × 42,2 mm und wird in der Dokumentation mit Stand Juni 2024 als der kleinste Netzwerkswitch der Welt vorgestellt
  • Zu den Einsatzbereichen zählen Embedded Systems, ROVs, AUVs, Consumer Electronics, DIY-Projekte und Netzwerkanwendungen mit begrenztem Platzangebot

Veröffentlichte Materialien und Bauteilaufbau

  • Teststatus

    • V2.0 wurde getestet und in seiner Funktion bestätigt; die Board-Layout-Dateien sind veröffentlicht
    • Auch V1.0 wurde getestet und in seiner Funktion bestätigt; weitere Informationen finden sich im Blogbeitrag

  • Wichtige ICs und Bauteile

    • IC Plus IP175Gx: integrierter 5-Port-10/100-Ethernet-Switch
      • 5-Port-100BASE-TX-Embedded-Switch
      • 85-nm-CMOS-Prozess
      • Unterstützung für Status-LEDs
      • Unterstützung für EEPROM-Konfiguration
    • LM1117MP-3.3: 800-mA-LDO
      • Feste 3,3-V-Ausgangsspannung
      • Bis zu 15 V Eingangsspannung
      • 1,2 V Dropout
    • QT48A03: 1000Base-T-Dual-Port-Transformator
      • 350 uH Primary
      • 8 mA DC-Bias
    • BT16A07: 10/100-Base-T-Single-Port-Transformator
      • 350 uH Primary
    • 2x QT24A23: als retired eingestufter 10/100/1000Base-T-Single-Port-Transformator
      • 350 uH Primary
      • 8 mA DC-Bias
    • Das Schematic PDF ist ebenfalls veröffentlicht

Änderungen in V2

  • Die Größe wurde um 30 % reduziert, wodurch er mit Stand Juni 2024 zum kleinsten Netzwerkswitch der Welt wurde
  • Durch den Einsatz einfacherer Bauteile wurden die gesamten BOM-Kosten um 15 % gesenkt
  • Zwei QT24A23 wurden durch den günstigeren und kompakteren QT48A03 ersetzt
  • Konfigurationsbauteile und EEPROM wurden entfernt

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1 Kommentare

 
GN⁺ 2024-06-17
Meinungen auf Hacker News

  • Wirklich beeindruckend, dass ein Team von Highschool-Schülern so etwas gebaut hat. Als wir im Purdue Space Program die Avionik für eine Flüssigkeitsrakete entwarfen, nutzten wir BotBlox-Switches für 80 Dollar pro Stück, und das fühlte sich damals absurd an.
    Der Vorschlag, intern selbst einen Ethernet-Switch zu bauen, wurde abgelehnt, weil ich ein „dreckiger CS-Student“ war (Scherz), und der Co-Lead für Elektronik meinte, es sei die Zeit nicht wert, ein solches Bauteil zu entwerfen und zu validieren.
    Dass man bei JLCPCB direkt einen 6,9-Dollar-Ethernet-Switch bauen kann, ist großartig; danke, dass ihr diese Produktkategorie zumindest ein Stück besser macht.
    https://sagarpatil.me/projects/cms-avi-hw
    https://botblox.io/products/micro-gigabit-ethernet-switch

    • Es wäre schön, wenn ihr die Projektseite auch separat als Show HN posten würdet. Ich fand sie interessant.
      Dass ihr kein I2C verwendet habt, sehe ich genauso. I2C wurde als Grundursache für mehrere CubeSat-Missionsausfälle identifiziert, und Clock Stretching ist wirklich übel. Meiner Meinung nach sollte I2C für die Kommunikation zwischen mehreren Boards verboten werden.
      https://pure.tudelft.nl/ws/portalfiles/portal/10531886/art_3...
      https://webapps.unsworks.library.unsw.edu.au/fapi/datastream...
      Classic CAN hat wegen Frame-Arbitration eine 8-Byte-MTU und ist daher für seinen ursprünglichen Zweck, die Übertragung zeitkritischer Fahrzeugdaten, nützlich. Wenn ein 4-Byte-Bremspaket von einem 1500-Byte-Paket blockiert würde, würde das Auto kollidieren und explodieren. Dafür ist es bei der Übertragung großer Datenmengen sehr langsam.
    • „Diese Produktkategorie ein Stück besser machen“ ist genau das, was MUREX tun will. Wir glauben wirklich daran und werden weitermachen, solange es uns gibt.
      Kaum zu glauben, aber Ethernet-Switches waren die problemloseste Hardware in unserem Tech-Stack. Die anderen Boards sind ebenfalls in der Dokumentation, schau sie dir gern an. Eure Rakete ist auch wirklich cool, und wenn ich an die Uni gehe, möchte ich unbedingt etwas Ähnliches machen.
    • Auf dem Markt gibt es Produkte in verschiedenen Preisklassen; zum Beispiel kostet der 55x55-mm-Switch unseres Unternehmens Brainboxes ebenfalls weniger als 50 Dollar. Wir haben diese Größe gewählt, damit wir im selben Formfaktor auch eine Gigabit-Option bauen können.
      Wir haben uns für Steckverbinder im microMatch-Stil entschieden, damit sowohl Board-zu-Board- als auch Board-zu-Kabel-Optionen möglich sind. Dass der Co-Lead den Kauf gewählt hat, ist eine gängige Entscheidung; mit Standardkomponenten verkürzt man die Time-to-Market und vermeidet auch das Lifecycle-Management der Bauteile.
      https://www.brainboxes.com/product/pure-embedded/pe-505
      https://www.te.com/en/products/brands/micro-match.html?tab=p...
    • Der verlinkte Switch wird als Gigabit-Switch bezeichnet, während der MUREX-Switch 100 Mbps bietet; das sollte man erwähnen. Ob das den Preisunterschied rechtfertigt, weiß ich nicht.

  • Sieht cool aus. Nach meinem Verständnis verbrät ein linearer Spannungsregler die Spannungsdifferenz bis zur Zielspannung als Wärme, statt wie ein Buck-Converter den Ausgangsstrom zu schalten.
    Bei 12 V Eingang können also je nach Laststrom bis zu (12-3,3)V * 0,8A = 6,96 W als Wärme auf dem Board anfallen. Bei einem echten FE-Switch wird vermutlich nur ein sehr kleiner Teil der 0,8 A genutzt, aber ich frage mich, ob das Board beim Anfassen kühl genug bleibt. Wenn ihr unsicher seid, prüft es besser mit dem Handrücken oder der Rückseite eines Fingers.

    • Tatsächlich wird es beim Anfassen heiß. Das Board zieht zwar keine 800 mA, kommt aber auf etwa 60 °C.
      Max, der Hauptdesigner von V2, empfiehlt einen Kühlkörper. Mit der Lösung über Thermal Vias bleibt es einigermaßen innerhalb sicherer Temperaturen. Wir haben uns aus Kostengründen für einen LDO entschieden; in unseren Robotern speisen wir direkt 3,3 V ein, erzeugt vom Buck-Converter auf Max’ Power-Board, der die 3,3 V für das gesamte System bereitstellt.
    • LDOs sind deutlich kleiner und erzeugen nicht wie Schaltnetzteile Rauschen. Ja, sie verschwenden etwas Leistung, aber das lässt sich reduzieren, wenn man die Dropout-Spannung so klein wie möglich hält.

  • Gutes Projekt und gut umgesetzt. So wie es jetzt ist, konkurriert es allerdings mit bereits existierenden Produkten; daher kann man schwer sagen, dass es einen neuen Markt oder einen bestehenden Markt wirklich gezielt adressiert.
    Zum Beispiel ist der kompakte TrendNet-10/100-Switch kein Hub, und inklusive Gehäuse, Netzteil und Versand kostet er bei eBay 7,31 Dollar. Um sich von Massenware abzuheben, müsste man eine gefragte Nische finden, etwa Automotive, Luft- und Raumfahrt, Militär oder Marine.
    Auch 2,88-MB-3,5-Zoll-Diskettenlaufwerke wurden, nachdem sie vom Desktop verschwunden waren, bis etwa 2020 vor allem in industriellen und schlüsselfertigen kommerziellen Systemen genutzt. Dinosaurier-Technik überlebt in kritischen Systemen sehr lange, wenn die Austauschkosten als zu hoch eingeschätzt werden.
    Einfach weitermachen, lernen und besser werden.
    Nebenbei: Wenn jemand einen 48-Port-10GBASE-T-POE++-Switch mit 960 W bis 1600 W+, mindestens L2, von unmanaged bis vollständig managed, aber ohne Cloud-Funktionen, mit 4 100GBASE-QSFP28-Uplinks, zwei Hot-Swap-PSUs, zwei Port-Ausrichtungen, 19 Zoll 1U mit halber Tiefe, wandmontierbar und ohne Jet-Triebwerkslärm unter Volllast bauen würde, wäre ich bereit, auch um die 6.000 Dollar zu zahlen.
    Als Vergleich kommt der FS S5860-48XMG-U für 4.800 Dollar nahe heran, ist aber wegen der zwei 1U-PSUs und drei Hot-Swap-Chassis-Lüfter laut wie ein Jet-Triebwerk; außerdem gibt es ihn nur in der üblichen Top-of-Rack-Bauform mit Frontports, wodurch das Kabelmanagement unnötig lang und unordentlich wird.

    • Das ist kein Desktop-Ethernet-Switch. Robotik-Komponenten wie Industriekameras oder hochwertige Lasersensoren nutzen statt USB oder RS232C häufig eine Ethernet-Schnittstelle.
      Damit löst man die Kabellängenbeschränkungen und Zuverlässigkeitsprobleme von Peripheriebussen. Es gibt zwar den Overhead, Kommunikationsprotokolle zwischen Nodes wie Ethernet und TCP/IP zu verwenden, aber dieser Kompromiss ist absolut akzeptabel.
      Einen Switch in Normalgröße in einen Roboter einzubauen, ist schwer hinnehmbar. Er ist zu sperrig; wenn er etwa in den Oberarm oder das Becken eines Humanoiden passen muss, sind normale Switches oder Hubs ungeeignet.
      Genau dieses Packaging-Problem in der Robotik löst dieses Produkt. Elektrisch ist es ein Switch/Hub, entscheidend ist aber, dass es physisch viel kleiner ist.
    • Ein Juniper EX4100 erfüllt alle Anforderungen.
      Eine Geräuschanforderung hinzuzufügen, ist unsinnig. Das ist so, als würde man die Stromversorgung für 48 Geräte à 90 W in eine kleine, dicht gepackte Box stopfen und sich dann gleichzeitig beschweren, dass sie kühl bleiben soll.
      Wenn Platz für 48 PoE-Geräte da ist, ist auch Platz für einen ordentlich gekühlten und schallgedämmten IDF.
    • Einen 1G-Switch inklusive Gehäuse, Netzteil und RJ45-Buchsen bekommt man bei Ali ebenfalls für unter 10 Dollar.
    • Eine Kombination, die 3,4 kW Wärme abführt und zugleich die gewünschte Größe und die Geräuschgrenzen einhält, kann schon vor jeder Kostenbetrachtung weit außerhalb des vernünftigen Bereichs liegen. Ein bisschen Hoffnung kann man trotzdem haben.

  • Gut gemacht. Für Leute, die nicht aus dem Hardware-Bereich kommen und mit der Terminologie nicht zu 100 % vertraut sind, wären mehr Fotos hilfreich.
    Besonders Fotos des Enclosures würden mich interessieren. Ich bin mir nicht sicher, ob einfach Header herausgeführt sind oder ob auf dem Board normale Ethernet-Stecker sitzen.

    • Um das Board so klein wie möglich zu machen, haben wir Molex-Picoblade-Stecker mit 1,25 mm Pitch herausgeführt.
      Dank der integrierten magnetischen Bauteile kann man es mit jedem Ethernet-Gerät verbinden, indem man lediglich die Leitungen an einen RJ45-Stecker anschließt. Weitere Fotos werde ich gleich hinzufügen.

  • Der BotBlox SwitchBlox Nano als Vergleich hat zwar zwei Ports weniger, ist aber 25,50 x 25,50 mm groß. Dieses Produkt misst 44,90 x 42,11 mm; wie lässt sich da die Behauptung rechtfertigen, es sei das kleinste der Welt?

    • Ich bin Max, der Hauptdesigner der V2-Revision. Das stimmt. Weil das Team und ich den 3-Port-Switch von BotBlox nicht kannten, müssten wir präziser sagen: der kleinste unmanaged 5-Port-Switch der Welt.
      Die kleinste kommerzielle Alternative, die wir gefunden hatten, war ebenfalls der unmanaged 5-Port-Switch von BotBlox, und bei Größe wie Kosten waren wir besser.
      Unser Ziel ist es, Open-Source-Elektronik zu bauen, die kosteneffizient und für möglichst viele Menschen zugänglich ist. In dieser Hinsicht ist unser Board deutlich attraktiver, und persönlich sehe ich es als Erfolg.
      https://botblox.io/products/small-ethernet-switch

  • Bei 6,9 Dollar wäre es vermutlich selbst dann noch ein ziemlich guter Deal, wenn es in der Praxis für 30 bis 40 Dollar verkauft würde.
    Blue Robotics dagegen fährt die Schiene: „175 Dollar plus 50 Dollar Versand, und dann zahl auch noch Zoll auf Basis von 175 Dollar.“
    https://bluerobotics.com/store/comm-control-power/tether-int...
    Alles, was dort verkauft wird, ist absurd teuer, und es scheint dringend echte Konkurrenz zu brauchen.

    • Hardware in kleinen Stückzahlen wirkt preislich immer ärgerlich hoch, aber sobald man selbst damit anfängt, sieht es hoffnungslos niedrig aus, wenn man die für die Entwicklung aufgewendeten Personenstunden mit einem McDonald’s-Stundenlohn multipliziert oder die erwartete Stückzahl mit einem tragbaren Stückpreis.
      Von Blue Robotics höre ich zum ersten Mal, aber ich kann mir schwer vorstellen, dass dieses 175-Dollar-Produkt 1.000 Mal pro Jahr verkauft wird. Selbst wenn doch, wären das 170.000 Dollar Umsatz; vor Steuern, Personalkosten oder überhaupt irgendwelchen Ausgaben ist das gerade etwa der Cash-Rückfluss für zwei Einstiegsingenieur-Gehälter.
      Selbst bei der optimistischen Annahme von 1.000 verkauften Einheiten pro Jahr dürfte es knapp werden, auch nur eine Person davon zu ernähren. Große multinationale Unternehmen liefern in Millionenstückzahlen aus, können einmalige Engineering-Kosten viel leichter abschreiben und kleine Produkte nahezu zum Selbstkostenpreis verkaufen.

  • Dass Teenager das gebaut haben, ist wirklich beeindruckend und bewundernswert.
    Ich frage mich: Hast du eine Ahnung, was deine Eltern getan haben, damit du dich so sehr für Elektrotechnik und Hacking begeisterst?
    Ich möchte meinen drei Kindern Informatik und Elektrotechnik näherbringen, und obwohl ich beruflich damit zu tun habe, weiß ich nicht recht, wie. Meine Eltern haben eigentlich nichts Besonderes getan, außer mir alle Bücher zu kaufen, die ich wollte; ich war einfach davon besessen, coolere Dinge verstehen zu wollen.
    Danke, dass ihr so ein tolles Projekt mit der Welt teilt; eure Zukunft sieht sehr vielversprechend aus.

  • Tolle Arbeit. Ich frage mich allerdings, warum Gigabit-Ethernet nicht unterstützt wurde. 100-Mbit-Ethernet habe ich seit über 10 Jahren nicht mehr genutzt

    • Ich bin Altan, Mitglied von Murex. Viele Designentscheidungen bei diesem Switch ergaben sich aus den Anforderungen unseres Unterwasserroboters
      In unserem Fall war die Kommunikationsgeschwindigkeit an die Übertragungsrate über das Tether gebunden. Um Daten über die Stromleitung zu übertragen, verwenden wir galvanisch isoliertes OFDM
      Da Größe und Kosten die Hauptziele waren, passten 100 Mbit besser als Gigabit-Ethernet. Ein Gigabit-Switch wäre zwar cooler gewesen, hätte aber auch Größe und Kosten erhöht
    • Ich kenne den Hintergrund nicht, aber 100-Mb-Ethernet ist bei Embedded-Geräten und in Anwendungen, die Netzwerkprotokolle hauptsächlich als Ergänzung zu serieller UART-Kommunikation nutzen, noch recht verbreitet. Für eine detaillierte Antwort zu diesem konkreten Einsatzzweck sollte man sich an die Antwort des Teams halten
    • Moderne Ethernet-Standards sind natürlich deutlich besser. Mein Zuhause ist komplett mit 10Gb verkabelt, und an einigen Stellen läuft auch 40Gb Infiniband
      Trotzdem gibt es weiterhin Einsatzbereiche für 100 Mbps. Besonders bei Embedded-, langsamen und günstigen Geräten. Wenn ein Mikrocontroller nur ein paar Pakete pro Sekunde sendet, gibt es keinen Grund, mehr Geld für vier zusätzliche Adern, Pins und Leiterbahn-Routing auszugeben
    • Wenn man ein ROV mit Tether baut, ist das Tether-Gewicht ein sehr großes Problem; vier weitere Adern hinzuzufügen ist daher keine Option
      Geräte, die sehr tief hinabgehen, verwenden leichtere Glasfaser, aber das erhöht natürlich die Kosten erheblich, was man möglichst vermeiden will
    • GigE benötigt doppelt so viele Pins. Auf diesem Board scheint nicht viel Platz für zusätzliche Ein-/Ausgänge zu sein
      Gigabit ist zweifellos gut, aber es gibt viele Anwendungen, für die 100M völlig ausreichen

  • Wenn es auf Embedded-Einsätze abzielt, frage ich mich, warum traditionelles Fast Ethernet base-tx statt Single-Pair Ethernet (base-t1, t1l/t1s) verwendet wurde

    • Wir verwenden eine sehr standardmäßige Ethernet-Verbindung, daher macht Fast Ethernet es sehr einfach. Kabel durchschneiden, wieder verbinden, und es funktioniert sofort

  • Beeindruckend und gut gemacht. Wenn es auf den Markt kommt, würde ich es kaufen wollen
    Es stimmt, dass man damit nicht über Standardbauteile und den Preis gewinnt, aber es gibt sicher eine Nische, in der die gute Dokumentation als Open Hardware entscheidend ist, gerade weil es kein Großserienhersteller ist

    • Im Moment einfach eine E-Mail an byran@mrx.ee schicken