Czy Ethernet jest deterministyczny?

Środowisko przemysłowe to nie tylko wysokie temperatury i silne zaburzenia elektromagnetyczne, ale i maszyny, wymagające stałej kontroli, często w czasie rzeczywistym. Niestety klasyczny Ethernet nie posiada mechanizmów gwarantujących poprawność pracy, która uwzględniałaby powyższe wymaganie. Dlatego też określenie sposobu działania w trybie rzeczywistym stało się polem do popisu dla wszystkich firm starających się stworzyć własne realizacje systemów sieciowych dla przemysłu.

Poszczególne z nich, takie jak Modbus/TCP, EtherNet/IP, Profinet czy Foundation Fieldbus HSE implementują różniące się od siebie metody przesyłu danych czasu rzeczywistego. Niemniej, od strony warstwy fizycznej i elektrycznej, są one zazwyczaj ze sobą kompatybilne. Poszczególni producenci sterowników PLC, które wyposażone są w interfejsy ethernetowe, implementują w swoich produktach jeden albo kilka tych standardów – zależnie od polityki firmy.

Drugą istotną kwestią pojawiającą się podczas przenoszenia standardu do przemysłu jest sygnalizacja błędów. W przypadku typowych sieci polowych, fizyczne zerwanie połączenia jest natychmiast wykrywane i powoduje zapalenie się odpowiedniej diody, wysłanie komunikatu dźwiękowego czy też po prostu przełączenie sterownika w z góry określony stan bezpieczeństwa.

Mechanizm ten nie będzie mógł sprawnie działać w sieci ethernetowej, gdyż często na drodze pomiędzy dwoma komunikującymi się urządzeniami będą znajdować się inne, takie jak np. switche, które powielają sygnał. W momencie fizycznego przerwania połączenia po jednej stronie koncentratora po drugiej wciąż będzie odbywać się komunikacja, a podłączony sterownik nadal będzie wykrywał sprawnie działające łącze.

Dlatego też wiele urządzeń ethernetowych posiada odpowiednie zegary (układy typu watchdog), które zliczają czas od ostatniej odpowiedzi systemu, z którym się komunikują. Gdy po danym okresie odpytywane urządzenie nie odpowiada, uznawane jest ono (lub łącze przez które jest podłączone) za niesprawne i sterownik może wstrzymać swoją dalszą pracę.

Jak zwiększać wydajność?

Gdy określone zostaną już zarysy wdrażanej sieci, warto pomyśleć o maksymalizacji sprawności jej działania. W związku z tym, należy zwrócić uwagę na kilka istotnych, dotąd nie omówionych cech. Możliwe jest na przykład zastąpienie zwykłych koncentratorów sieciowych lub odpowiadających im przełączników modelami bardziej zaawansowanymi, określanymi jako „zarządzane”.

Poza pełnieniem takich samych funkcji, jak zwykłe przełączniki, mają one odpowiedni interfejs programowy pozwalający na wprowadzenie dodatkowej konfiguracji. Procedura ta może odbywać się poprzez skorzystanie ze strony WWW generowanej przez wbudowany serwer, która dostępna jest pod z góry określonym adresem IP. Drugą możliwością jest skorzystanie z terminalu podłączonego np. przez port RS-232.

Switche zarządzane pozwalają na dokładną konfigurację każdego z portów oddzielnie, pod kątem prędkości przesyłu, włączenia lub wyłączenia dupleksu, prostego routingu pomiędzy portami lub ustawienia opcji związanych z wprowadzeniem połączeń redundantnych. Ponadto zaawansowane switche pozwalają zdalnie monitorować stan wszystkich swoich portów, informować o alarmach lub awariach czy też natężeniu ruchu danych na każdym z wejść. Coraz bardziej popularne staje się przesyłanie informacji o usterkach lub wydarzeniach poprzez pocztę elektroniczną lub za pomocą wiadomości SMS.

Jedną z bardziej istotnych opcji udostępnianych przez bardziej zaawansowane switche może być filtrowanie pakietów typu multicast, czyli takich, które wysyłane są do określonej grupy urządzeń. Dzięki temu możliwe jest pozbycie się silnie obciążającego ruchu na tych portach do których podłączone są podsieci nie wykorzystujące informacji z trybu grupowego – rozgłoszeniowego.

Drugą kwestią jest nadawanie pakietom priorytetów, a właściwie odpowiednie respektowanie ich znaczenia. Technika ta nazywana jest potocznie metodą zapewnienia wysokiej jakości usługi – QoS (Quality of Service). Jest ona szczególnie ważna dla sieci Profinet, która korzysta z tej funkcji w celu przesyłu cyklicznych danych rzeczywistych.

W przypadku gdy dostępne przełączniki mają niewystarczającą liczbę złączy, a w danej aplikacji bardzo istotna jest prędkość przesyłu danych i zaawansowana konfiguracja, warto skorzystać z modeli oferujących zestawianie (stacking). W tym przypadku mają one dodatkowy interfejs, którym łączy się dwa lub więcej takich samych przełączników. Dzięki temu zachowują się one jak jedno duże, wieloportowe urządzenie.

Po pewnym czasie od wdrożenia nowej sieci warto spojrzeć na statystyki z przełączników zarządzanych. Mogą one wskazywać, które z ich portów są bardziej obciążone, dzięki czemu możliwa będzie taka korekta konfiguracji sieci, aby zminimalizować powstające opóźnienia.

Jak zwiększyć bezpieczeństwo?

Opisane powyżej switche zarządzane umożliwiają także zwiększenie bezpieczeństwa utworzonej sieci. Dzięki nim możliwe jest zablokowanie komunikacji pomiędzy niektórymi grupami portów, co pozwala na przykład na oddzielenie sieci biurowej od sieci zakładu produkcyjnego.

Pozwalają one także na blokadę niewykorzystanych portów, co zapobiega nieautoryzowanemu dostępowi. Co więcej – zaawansowane switche to także możliwość automatycznego przełączania komunikacji pomiędzy redundantnymi łączami w przypadku gdy jedno z jest uszkodzone.

Odpowiada za to protokół drzewa rozpinającego (Spanning Tree) lub też jego nowsza wersja określana jako Rapid Spanning Tree. Jedyną różnicą pomiędzy tymi metodami jest szybkość, z jaką przełączniki potrafią wykryć problem i przekonfigurować zapisane w pamięci trasy. W przypadku starszego protokołu operacja ta trwa od 30 sekund, nawet do minuty, podczas gdy RST radzi sobie z problemem w niecałe dwie sekundy. Dokładny czas przywrócenia komunikacji zależny jest od zastosowanej struktury sieci i podłączonych urządzeń.

Opisane działania wymagające nadmiarowych łącz nie byłyby możliwe, przy zastosowaniu zwykłych przełączników sieciowych, gdyż nadmierna liczba połączeń mogłaby powodować konflikty powtarzających się adresów na kilku portach urządzenia. Na szczęście aby zbudować struktury redundantne – takie jak na przykład pierścienie, wystarczy tylko, aby niektóre, kluczowe urządzenia były zarządzane, podczas gdy inne mogą mieć prostszą i tańszą konstrukcję.

Marcin Karbowniczek