Đảm bảo tính ổn định và tin cậy của hạ tầng mạng Serial – to – Ethernet

Truyền thông  serial dựa trên chuẩn RS-232, RS-422, RS-485 thường được sử dụng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp để kết nối và điều khiển hàng loạt các thiết bị truyền thông  serial, từ những chiếc máy đọc mã vạch đơn giản cho đến các máy móc phức tạp được điều khiển bằng máy tính (Computer Numerical Control – CNC). Tuy nhiên, do giới hạn về khoảng cách truyền, khả năng truy cập, khối lượng dữ liệu truyền tại một thời điểm và tốc độ truyền dữ liệu dẫn đến yêu cầu về tính linh hoạt phải cao hơn.

Từ đầu những năm 1990, mạng Ethernet đã trở nên ngày càng phổ biến trên thị trường truyền thông công nghiệp bởi tốc độ truyền nhanh chóng, khả năng bảo mật và tính linh hoạt. Điều này đã làm xuất hiện yêu cầu chuyển đổi giao thức serial sang Ethernet TCP/IP và các thiết bị serial device servers  đã được phát triển để giải quyết vấn đề này. Serial device servers cho phép người dùng tận dụng được tất cả các thiết bị serial hiện hữu mà vẫn kết nối trực tiếp được vào mạng Ethernet.

Một trong những yêu cầu quan trọng nhất đối với công nghệ chuyển đổi từ serial sang Ethernet (chuyển đổi từ RS -232/422/485 sang Ethernet) đó là việc truyền dữ liệu ổn định và đáng tin cậy giữa các nút mạng.  Do tính chất quan trọng của một hệ thống mạng công nghiệp nênchỉ một sai sót nhỏ trong truyền dữ liệu cũng có thể gây ra những thiệt hại về chi phí và thời gian. Trong bài viết này, Moxa nhấn mạnh 3 tính chất cần thiết để đảm bảo sự kết nối ổn định trong hạ tầng mạng serial-to-Ethernet: (1) sự ổn định của máy chủ, (2) sự ổn định của hệ thống mạng, (3) sự ổn định của thiết bị.

Sự ổn định của máy chủ

Trong hạ tầng mạng serial-to-Ethernet, máy chủ là một máy tính  có chức năng giám sát và điều khiển các thiết bị serial tạo thành một cấu trúc. Máy chủ giao tiếp với serial device server thông qua Ethernet và serial device server giao tiếp với các thiết bị serial  được nối trực tiếp với serial device server. Các máy chủ (ví dụ máy tính) có thể bị hỏng bởi hoạt động không ổn định của phần cứng hoặc phần mềm, để giảm thiểu khả năng này thì điều quan trọng là phải bổ sung một hay nhiều máy chủ dự phòng như là một phần của hệ thống.

Một phương pháp đơn giản là sử dụng một máy chủ dự phòng, gọi là máy chủ B. Nhiệm vụ của máy này là cung cấp tính ổn định bằng cách sao lưu dữ liệu từ máy chủ chính – máy chủ A. Với cách tiếp cận truyền thống này để lưu trữ dự phòng đòi hỏi máy chủ A phải tự đồng bộ hóa với máy chủ B, máy chủ B chỉ có thể cung cấp dữ liệu dự phòng một cách hạn chế . Thêm nữa, máy chủ B không thể đọc được dữ liệu trên máy chủ A cũng  không kiểm soát được hệ thống mạng thay thế cho máy A, và có thể gây sự cố cho toàn bộ hệ thống mạng. Các quản trị viên phải sao lưu và đồng bộ thủ công các máy chủ và máy chủ sao lưu cũng không thể thực hiện được các công việc như máy chủ chính (ví dụ kiểm soát hệ thống mạng).

Một giải pháp thông minh hơn là cung cấp bởi chức năng Maximum Connection được hỗ trợ bởi hầu hết các thiết bị chuyển đổi từ serial (RS-232/422/485) sang Ethernet mang mã Nport của Moxa. Chức năng Maximum Connection cho phép người dùng chỉ định một máy chủ chính có thể tự động gửi cùng lúc các tín hiệu serial hoặc lệnh điều khiển cho 4 hoặc 8 máy tính chủ khác. Mặc dù máy chủ chính chỉ có thể gửi cùng một dữ liệu hoặc câu lệnh đến mỗi máy chủ dự phòng, mỗi máy chủ dự phòng có thể có quyền điều khiển hệ thống mạng khi máy chủ chính gặp sự cố.

Độ tin cậy của  hệ thống mạng

Chính hệ thống mạng Ethernet cũng có thể gặp sự cố do đó cần thiết phải thực hiện một số giải pháp dự phòng mạng. Moxa cung cấp 2 giải pháp dự phòng.

Dự phòng mạng sử dụng một mạng LAN

Công nghệ dự phòng Turbo Ring của Moxa có thể được sử dụng để ngăn sự gián đoạn và đảm bảo việc truyền tải dữ liệu ổn định tới các thiết bị. Với Turbo Ring, một  đoạn của mạch vòng sẽ bị chặn để ngăn chặn  switching loops và broadcast storms. Sau đó khi đường truyền ban đầu trở lại bình thường thì phân đoạn bị chặn sẽ được kết nối lại để tất cả thiết bị Ethernet tạo thành một vòng và tiếp tục quá trình truyền thông. Công nghệ Turbo Ring của Moxa có thể khôi phục hệ thống mạng trong khoảng thời gian chưa tới 100ms, trong khi đó STP cần đến 30 giây để tái kết nối và con số này đối với RSTP là 2 giây.

Dự phòng mạng sử dụng 2 mạng LAN

Máy chủ đầu cuối của Moxa hỗ trợ chế độ hoạt động dự phòng COM, có thể được sử dụng để thiết lập một mạng LAN dự phòng giữa các thiết bị serial đã kết nối tới các cổng serial của thiết bị đầu cuối và máy chủ. Cấu trúc dự phòng liên quan đến việc sử dụng 2 cổng LAN để hình thành 2 cổng LAN độc lập kết nối thiết bị đầu cuối tới máy chủ. Nếu một trong 2 mạng LAN gặp sự cố thì với các gói tin đi qua máy chủ đầu cuối mạng còn lại sẽ tiếp tục truyền gói tin giữa thiết bị serial và máy chủ,. Trên thực tế, một trong những lợi thế lớn nhất của chế độ hoạt động dự phòng COM là trong quá trình vận hành bình thường cả hai mạng LAN đều hoạt động do đó khi một trong hai LAN gặp sự cố thì LAN còn lại vẫn tiếp tục vận hành và do đó thời gian chuyển mạch sẽ bằng 0.

Độ tin cậy của thiết bị

Có hai cách có thể thực hiện để đảm bảo độ tin cậy của các thiết bị serial tạo thành hạ tầng mạng serial – to – Ethernet. Cách thứ nhất là bổ sung thêm các thiết bị dự phòng serial, và cách thứ hai là kiểm soát việc quá tải dữ liệu

Bổ sung thêm các thiết bị dự phòng cấp trường

Đôi khi, để đảm bảo quá trình vận hành của lớp thiết bị được ổn định, cần lắp đặt các thiết bị serial dự phòng. Dòng Nport của Moxa hỗ trợ tính năng COM Grouping cho phép người dùng bỏ qua  bước cài đặt thiết  bị và bố trí các thiết bị dự phòng mới trong quá trình triển khai nói chung. Với tính năng này, người dùng có thể giữ lại các thiết lập hiện có và bổ  sung các thiết bị sao lưu vào hệ thống hiện hữu một cách linh hoạt . Với các thiết bị mạng có 2 cổng serial (ví dụ: các thiết bị điện tử thông minh), COM Grouping cho phép tạo ra một COM Group cho 2 cổng này và chuyểndữ liệu từ COM Group sang cổng COM vật lý trên bộ chuyển đổi serial RS-232/422/485 sang Ethernet Nport .

Tránh tình trạng quá tải dữ liệu

Khi bộ đệm dữ liệu trên thiết bị serial nhận được dữ liệu với kích thước nhỏ hơn so với gói dữ liệu được truyền đi, phương pháp truyền thống sẽ được sử dụng để điều khiển lưu lượng phần mềm nhằm quản lý kích thước của gói dữ liệu được truyền tới thiết bị. Tuy nhiên, nếu sử dụng phương pháp điều khiển lưu lượng phần mềm truyền thống này sẽ có nguy cơ mất dữ liệu nếu quá trình truyền bị gián đoạn trước khi tất cả dữ liệu truyền đến thiết bị serial. Bởi vì việc trung tâm điều khiển có đang bận hay không gây ảnh hưởng tới việc điều khiển lưu lượng phần mềm.

Kích hoạt UART của thiết bị chuyển đổi serial sang Ethernet Nport để giải quyết vấn để kiểm soát lưu lượng một cách trực tiếp, điều khiển lưu lượng trên vi mạch có thể khắc phục được những hạn chế của phương pháp điều khiển lưu lượng phần mềm truyền thống.  Cụ thể hơn, điều khiển lưu lượng trên vi mạch có thể gửi một yêu cầu Xoff tới máy chủ, dừng quá trình truyền dữ liệu ngay tức khắc để tạo ra một khoảng thời gian truyền tải đủ dài và hiệu quả.