Tổng Quan

Trong những năm gần đây, công nghệ dự phòng Ethernet đã phát triển nhanh chóng và được áp dụng phổ biến trong lĩnh vực công nghiệp tự động hóa bởi khả năng nâng cao độ tin cậy của nó. Tuy nhiên, cũng như các mạng dự phòng đang ngày càng được sử dụng nhiều hơn, yêu cầu kết nối mạng của nó đòi hỏi phát triển nhiều hơn nữa, tạo ra một số công nghệ dự phòng không hiệu quả trong các tình huống nhất định (chẳng hạn như cấu trúc kết nối vòng ring đơn giản). Chính vì vậy vấn đề đưa ra được công nghệ dự phòng đáp ứng được yêu cầu công nghệ là một thách thức bởi vì một giải pháp dự phòng Ethernet cần có được khả năng hỗ trợ nhiều kết nối dự phòng. Trong bài viết này, trước tiên chúng tôi sẽ giới thiệu công nghệ dự phòng tiêu chuẩn. Tiếp theo, chúng tôi sẽ công bố một công nghệ dự phòng đột phá mới có thể được áp dụng để nâng cao hiệu quả và tính sẵn sàng của nhiều kết nối dự phòng trong các ứng dụng công nghiệp, kèm theo đó là một số kịch bản để mô tả lợi ích của việc áp dụng các giải pháp dự phòng mới.

Xây dựng Networks dự phòng có tính sẵn sàng cao

Đối với các mạng dự phòng Ethernet công nghiệp, một trong những vấn đề thường gặp nhất hiện nay là thiếu một công nghệ để dễ dàng xây dựng mạng có tính sẵn sàng cao có chứa các kết nối dự phòng phức tạp. Tuy nhiên, yêu cầu này vẫn còn rất cần thiết trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau (ví dụ như điện gió, đường ống dẫn dầu và mạng lưới đường sắt tự động). Trong các ứng dụng này, các mạng Ethernet lớn với mạng dự phòng thường được yêu cầu, mạng có thể bao gồm nhiều địa điểm khác nhau trên một khoảng cách đáng kể và yêu cầu cấu trúc liên kết linh hoạt hơn.

Ngoài vấn đề trên, vấn đề phức tạp trong việc mở rộng mạng hay chậm phục hồi cũng thường xuyên gặp phải. Từ những lợi thế và nhược điểm của các công nghệ dự phòng tiêu chuẩn, chúng tôi sẽ giới thiệu cách mà công nghệ mới nhất của MOXA – Turbo Chain có thể giải quyết những vấn đề này một cách chính xác và hiệu quả.

Các công nghệ mạng dự phòng

Hiện nay có rất nhiều cơ chế có thể nâng cao khả năng khắc phục các lỗi trong một mạng Ethernet. Phổ biến nhất ở đây là Mesh networking, STP, RSTP và mạng dự phòng ring riêng biệt.

• Mesh Networking

Mạng Mesh là một mạng mà tất cả các nút được kết nối với nhau trong một mạng lưới hoàn chỉnh. Mỗi nút được kết nối tới các nút khác trên mạng thông qua các bước nhảy (hops). Một số kết nối thông qua một bước nhảy duy nhất và một số có thể được kết nối với nhiều hơn 1 bước nhảy. Dữ liệu di chuyển trên mạng được tự động cấu hình để đi tới đích bằng con đường ngắn nhất.

Mạng Mesh là một mạng đáng tin cậy và có khả năng tự phục hồi. Nếu một nút bị lỗi, mạng sẽ tìm một đường đi thay thế để chuyển dữ liệu. Trong một mạng Mesh, một điều rất khó xảy ra là tất cả các nút mạng trong một mạng duy nhất sẽ bị phá vỡ tại một thời điểm bất kỳ nào đó. Tuy nhiên, mặc dù mạng Mesh có độ tin cậy cao và mạnh mẽ để truyền dữ liệu, nhược điểm của nó là chi phí truyền thông cao hơn và có chi phí tăng từ việc chi phí cho dây cáp cần thiết kết nối tất cả các nút mạng với nhau là rất lớn.

Mạng Mesh là một mạng đáng tin cậy và có khả năng tự phục hồi. Nếu một nút bị lỗi, mạng sẽ tìm một đường đi thay thế để chuyển dữ liệu. Trong một mạng Mesh, một điều rất khó xảy ra là tất cả các nút mạng trong một mạng duy nhất sẽ bị phá vỡ tại một thời điểm bất kỳ nào đó. Tuy nhiên, mặc dù mạng Mesh có độ tin cậy cao và mạnh mẽ để truyền dữ liệu, nhược điểm của nó là chi phí truyền thông cao hơn và có ch phí tăng từ việc chi phí cho dây cáp cần thiết kết nối tất cả các nút mạng với nhau là rất lớn.

Hình 2: Mạng Ethernet dự phòng sử dụng STP

STP như được định nghĩa trong tiêu chuẩn IEEE 802.1D là được thiết kế để loại bỏ các vòng lặp trong mạng bởi việc phân tách mạng thành các vòng lặp tự do (loop-free) dạng hình cây. Nó giúp đạt được một mạng liên kết dự phòng và tối ưu hóa đường truyền dẫn. Một mạng như hình 2 là một ví dụ của một mạng Ethernet dự phòng sử dụng STP và bao gồm vòng lặp giữa các Switch từ 1 tới 5.

STP sử dụng một thuật toán để tìm liên kết cần thiết trong một mạng và cho phép đường dẫn nhất định như đường dẫn sao lưu (Backup Link) để ngăn chặn vòng lặp. Khi STP hoạt động, các gói dữ liệu được gửi từ Switch 5 tới Root Switch thông qua Switch 3. Trong trường hợp Switch mất kết nối hoặc bị lỗi, STP sau đó sẽ tự động sắp xếp lại các kết nối bằng cách kích hoạt đường dẫn sao lưu để chuyển tiếp dữ liệu.

Mặc dù STP giải quyết được các vòng lặp và đạt được mạng dự phòng, tuy nhiên nó có một số nhược điểm. Một trong số đó là thời gian phục hồi chậm. Với STP, thời gian phục hồi thường mất 15s sau khi cây mở rộng (spanning tree) được thành lập. Thời gian phục hồi này là quá dài cho các ứng dụng công nghiệp.

• RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol)

Để khắc phục sự phục hồi chậm của STP, IEEE đã công bố tiêu chuẩn IEEE 802.1w để tạo nên các cải thiện dựa trên STP. Điều này rút ngắn tốc độ phục hồi chỉ còn 1s. Tuy nhiên, đối với tính thời gian thực và một số ứng dụng công nghiệp quan trọng, chẳng hạn như hệ thống quân sự và hệ thống điều khiển quá trình thì thời gian phục hồi phải dưới 100ms để đả bảo độ tin cậy của mạng.

STP và RSTP là các tiêu chuẩn mở cho nhiều nhà sản xuất Switch Ethernet đã thực hiện trong các sản phẩm quản lý chuyển đổi của họ. Việc thời gian tự phục hồi của RSTP nhanh hơn là rất hữu ích trong một mạng doanh nghiệp, nơi mà một vài giây chậm trễ của mạng là có thể chấp nhận được. Tuy nhiên, trong một mạng công nghiệp, 1 giây mất liên lạc có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng. Các ứng dụng tự động hóa trong nhà máy thường liên quan tới các máy móc thiết bị đòi hỏi thời gian mất kết nối ngắn hơn rất nhiều so với thời gian đạt được như trên. Điều này là cần thiết cho sự hoạt động an toàn của các quá trình được kiểm soát và ngăn chặn thời gian chết của các hệ thống đắt tiền.

• Mạng dự phòng ring riêng biệt (Proprietary Ring Redundancy)

      Hình 3: Ví dụ về mạng dự phòng Ring

Mạng Ring dự phòng là rất phổ biến trong các mạng Ethernet công nghiệp ngày nay. Nó là một giải pháp tiết kiệm chi phí hơn so với mạng Mesh và khắc phục được các vấn đề về thời gian phục hồi của STP/RSTP. Có nhiều công nghệ dự phòng Ring khác nhau, bao gồm thời gian tự phục hồi được đảm bảo trong một vài mili giây, được cung cấp bởi các nhà cung cấp giải pháp Ethernet công nghiệp như giải pháp Turbo Ring của MOXA. Mạng dự phòng Ring đảm bảo việc không ngừng hoạt động của mạng với thời gian tự phục hồi rất nhanh. Ví dụ, sử dụng Turbo Ring, nếu bất kỳ phân đoạn nào của mạng bị ngắt kết nối, hệ thống mạng sẽ tự phục hồi trong vòng chưa đến 20ms bằng cách kích hoạt các đường dẫn sao lưu trong vòng Ring. Tuy nhiên vẫn còn một số nhược điểm của dự phòng Ring: khả năng tương tác là một thách thức, bởi vì công nghệ dự phòng Ring là riêng biệt cho các nhà cung cấp các nhân. Ngoài ra, dự phòng Ring chỉ hỗ trợ hạn chế trong một Switch duy nhất.

Turbo Chain: Giải pháp khôi phục hệ thống vượt qua công nghệ dự phòng Ring Ethernet.

Giải pháp Turbo Chain của MOXA là một công nghệ dự phòng tiên tiến, nó có thể giải quyết các cấu trúc thiếu linh hoạt của mạng Mesh, thời gian phục hồi chậm của STP/RSTP và khả năng tương tác hạn chế hoặc vòng giới hạn của dự phòng Ring.

                Hình 4: Mạng Turbo Chain

Sử dụng sáng tạo cấu trúc “Chain”, việc quản trị mạng linh hoạt có thể tạo ra bất kỳ cấu trúc liên kết trong bất kỳ đoạn mạng nào. Turbo Chain được tạo ra bằng cách kết nối các Switch Ethernet lại với nhau để tạo thành mạng Daisy-chain, ở đó Head-Switch và Tail-Switch (Các Switch ở 2 đầu của cấu trúc Chain) được cấu hình đầu tiên, sau đó các Switch còn lại được cấu hình như các Member Switchs. Tiếp theo, chúng ta chỉ cần kết nối 2 đầu của Chain với một mạng Ethernet, và sau đó thiết lập được thực hiện xong. Một minh họa ngắn gọn được thể hiện như trên hình 4.

Turbo Chain cung cấp giải pháp dự phòng nhanh chóng, đáp ứng được các yêu cầu cho các ứng dụng công nghiệp. Ngay khi một đoạn mạng Chain bị lỗi, liên kết bị chặn trước đó (liên kết giữa Tail-Switch và mạng bên ngoài) sẽ nhanh chóng được kích hoạt trong vòng 20ms. Cơ chế nhanh chóng phục hồi này đảm bảo rằng các mạng Ethernet công nghiệp vẫn hoạt động gần như liên tục.

Các lợi ích của Turbo Chain

Turbo Chain đã thể hiện lợi thế đáng kể cho các mạng công nghiệp đòi hỏi phải có cấu trúc dự phòng phức tạp và cho phép độ tin cậy cao cũng như tính sẵn sàng của các ứng dụng mạng Ethernet công nghiệp. Bất cứ khi nào một mạng đang áp dụng cấu trúc nhiều vòng ring, Turbo Chain sẽ là giải pháp tối ưu nhất dựa vào 4 lý do: linh hoạt, mở rộng không hạn chế, phục hồi lỗi nhanh chóng và triển khai hiệu quả.

• Xây dựng cấu trúc dự phòng với độ linh hoạt cao và khả năng mở rộng.

Turbo Chain có đặc tính linh hoạt cao trong việc đáp ứng bất kỳ loại cấu trúc mạng phức tạp nào. Với phương pháp Chain, kỹ sư mạng hiện nay có sự tự do để tạo ra nhiều kết nối dự phòng khi họ có nhiều Switch và các cổng bằng cách liên kết một Turbo Chain mới với bất kỳ phân đoạn nào của mạng Ethernet.

• Khả năng mở rộng không hạn chế mạng dự phòng.

Turbo Chain cho phép mở rộng mạng không giới hạn một cách dễ dàng. Kỹ sư mạng không cần phải cấu hình lại mạng hiện có, nhưng đúng hơn, sử dụng Turbo Chain để mở rộng quy mô mạng dự phòng trực tiếp. Ngoài ra, Turbo Chain có thể được kết nối cới một mạng sử dụng bất kỳ công nghệ dự phòng khác như STP, RSTP và công nghệ Turbo Ring của MOXA.

• Đáng tin cậy và cơ chế phục hồi lỗi ngay lập tức.

Turbo Chain cung cấp khả năng dự phòng tiêu chuẩn công nghiệp, có khả năng chịu đựng lỗi mất kết nối tại các đoạn mạng. Nếu có bất kỳ liên kết mạng nào bị lỗi, Turbo Chain sẽ ngay lập tức kích hoạt các con đường tạm thời bị chặn trước đó để tiếp tục chuyển dữ liệu ngay lập tức, tất cả được thực hiện với thời gian phục hồi dưới 20ms.

• Chi phí triển khai thấp hơn so với Ring Coupling

Turbo Chain giảm được thời gian triển khai, nỗ lực và chi phí lắp đặt kể từ khi kết nối các mạng dự phòng khác nhau có thể trực tiếp đạt được mà không cần có các vòng lặp Ring Coupling . Turbo Chain giảm được đáng kể chi phí cáp cần thiết và cổng Ethernet để hình thành đường Ring Coupling. Đây là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi phải có mạng lưới dự phòng và cần cân nhắc tới ngân sách cũng như hệ thống cáp khó khăn khi kết nối.

Các kịch bản được đặt ra

Các ứng dụng công nghiệp sử dụng nhiều cở sở hạ tầng dự phòng Ethernet để tăng độ tin cậy, tính sẵn sàng và khả năng thích ứng của các mạng quan trọng. Giải pháp Turbo Chain của MOXA hỗ trợ kết nối đa vòng linh hoạt, khả năng mở rộng mạng dễ dàng và lý tưởng cho các ứng dụng mạng dự phòng quy mô lớn, chẳng hạn như năng lượng gió, đường ống dẫn dầu và các ứng dụng trong ngành đường sắt.

• Kịch bản 1: Hệ thống năng lượng gió

Trong các ứng dụng năng lượng gió, điểm truyền thông như cối xay gió thường nằm rải rác trong toàn bộ các trang trại gió. Kết nối mạng Ethernet dự phòng là một giải pháp lý tưởng để kết nối các nút cối xay gió với nhau và tạo ra một mạng lưới thông tin liên lạc đáng tin cậy để thu thập dữ liệu từ xa, điều khiển thiết bị, và điều chỉnh cài đặt cối xay gió. Tuy nhiên, để tạo ra các kết nối cần thiết thường dẫn đến một vấn đề phổ biến mà gọi là dự phòng Ring khó có thể dễ dàng tạo ra toàn bộ mạng một cách hiệu quả. Để làm như vậy đòi hỏi một cấu trúc liên kết cực kỳ linh hoạt nhưng phải có tính hiệu quả (xem hình bên dưới), nhưng công nghệ Ring điển hình là quá khó khăn, tốn kém và không hiệu quả để thuận tiện liên kết các nút với nhau. Trong trường hợp này, Turbo Chain là giải pháp tốt nhất. Nó đáp ứng nhu cầu ứng dụng cho một mạng tự phục hồi đáng tin cậy (thời gian phục hồi <20 ms) và triển khai tiết kiệm chi phí, khả năng mở rộng cao và mở rộng thêm nhiều tua-bin có thể được bổ sung thuận tiện trong tương lai.

      Hình 5: Turbo Chain trong hệ thống điện gió

• Kịch bản 2: Hệ thống đường ống dẫn dầu

Một mạng lưới đường ống dẫn dầu kéo dài nhiều dặm thường đòi hỏi nhiều vòng ring của hạ tầng mạng cáp quang tại các vị trí khác nhau để tạo thành một mạng giám sát và kiểm soát hệ thống phân phối đáng tin cậy. Tuy nhiên, chi phí sợi cáp lên đến hàng chục ngàn đô la cộng với ngày nỗ lực cài đặt cần được dùng chỉ để “tạo ra và kết nối các vòng ring”. Trong kịch bản này, Turbo Chain có thể được sử dụng để làm giảm đáng kể các chi phí triển khai của mạng lưới và nâng cao độ tin cậy hệ thống. Chain độc lập được hình thành trong các đoạn mạng đường ống khác nhau có thể được nối với mạng dự phòng Ring trung ương nhanh chóng và không tốn kém. Bằng cách này, mạng lưới đường ống có thể thích nghi nhanh chóng và dễ dàng mở rộng.

        Hình 6: Turbo Chain trong hệ thống dẫn dầu

• Kịch bản 3: Hệ thống đường sắt

  Trong một hệ thống đường sắt, việc sử dụng một hệ thống giám sát dự phòng tập trung để kết nối các trạm phụ truyền thông khác nhau cho các hoạt động thời gian thực, đảm bảo vận chuyển an toàn hàng ngày. Turbo Chain cho phép hệ thống đường sắt mở rộng quy mô một cách dễ dàng và nhanh chóng bất cứ khi nào mạng cần mở rộng. Thay vì tạo ra một sub-ring cho mạng mới, hoặc thay đổi tuyến vận chuyển/ cấu hình lại mạng hiện có, các quản trị viên có thể chỉ đơn giản là tạo lên các nút mới, và kết nối chain với mạng hiện tại. Bất kể có hay không các mạng hiện tại đang chạy STP, RSTP, hoặc các giao thức Turbo Ring. Turbo Chain có thể tương thích với bất kỳ loại mạng nào một cách mạnh mẽ và đáng tin cậy.

             Hình 6: Turbo Chain trong hệ thống đường sắt

Kết Luận

Các ứng dụng công nghiệp yêu cầu độ tin cậy cao, yêu cầu hệ thống mạng dự phòng để đảm bảo mạng lưới hoạt động không ngừng. Vì sự phức tạp của hệ thống dây điện trong lĩnh vực công nghiệp đang phát triển ngày càng lớn hơn, triển khai kết nối dự phòng với sự linh hoạt và khả năng mở rộng đang trở thành bắt buộc. Mặc dù có rất nhiều giao thức dự phòng hiện có, công nghệ dự phòng Turbo Chain, được hỗ trợ bởi tất cả các thiết bị Switch Ethernet công nghiệp của MOXA là giải pháp có tính sẵn sàng cao nhất cho phép quản trị mạng xây dựng nhiều kết nối dự phòng dễ dàng nhất và khả năng thích ứng cao nhất. Những lợi ích của công nghệ dự phòng Turbo Chain bao gồm:

• Xây dựng mạng lướilinh hoạt vàmở rộng dễ dàng, không cần nỗ lực cấu hình lạimạng;
• Có khả năng tương tác cao với các mạng dự phòng khác nhau như STP/RSTP và mạng Turbo Ring của MOXA;
• Phục hồi lỗinhanh chóng(thời gian phục hồi <20 ms) của công nghệTurboChaincho hoạt động củahệ thốngđáng tin cậy;
• Tiết kiệm chi phí so với giải pháp Ring Coupling.