Redundantne połączenia w przemysłowych sieciach Ethernet

| Prezentacje firmowe

Spotykamy się z kilkoma mechanizmami tworzenia redundantnych połączeń pomiędzy krytycznymi węzłami sieci Ethernet. Dość znane są protokoły RSTP (802.1w) i MSTP (802.1s) jednak czasy potrzebne na przywrócenie komunikacji są długie, a zatem nieakceptowalne w systemach automatyki. Niektórzy producenci opracowali własne, zamknięte protokoły redundancji, w większości oparte o ideę tworzenia redundantnego pierścienia. Przykładem może być Turbo Ring czy Super Ring. Protokoły te są szybkie i dość niezawodne, ale wszystkie mają wady: brak kompatybilności pomiędzy poszczególnymi odmianami pierścienia. A przecież ethernet w przemyśle cieszy się tak dużą popularnością ponieważ jest to standard otwarty.

Redundantne połączenia w przemysłowych sieciach Ethernet
 
Rys. 1. Pierścień ERPS

Istnieją technologie pierścieniowe, które były pierwotnie zastrzeżone, ale zostały otwarte dla innych producentów. Przykłaem jest MRP (Media Redundant Protocol). MRP działa na warstwie MAC przełączników Ethernet i jest bezpośrednią ewolucją protokołu HiPER-Ring używanego przez przełączniki Hirschman od 2003 roku. Protokół ten jest szeroko stosowany na rynkach, na których przełączniki Hirschmana dominują od lat.

Aby zapewnić pełną interoperacyjność w redundantnych sieciach Ethernet opracowano standard G.8032 - Ethernet Ring Protection Switching (ERPS), który umożliwia rekonfigurację sieci w czasie poniżej 50 ms. Konfiguracja protokołu G.8032 jest prosta i intuicyjna. Wystarczy aktywować ERPS na portach, które mają tworzyć pierścień i połączyć je ze sobą.

Dla użytkowników, którzy chcą mieć większą kontrolę nad tym co się dzieje w sieci przewidziane są dodatkowe opcje. Można samodzielnie zdecydować, który segment sieci jest blokowany (Ring Protection Link), aby zapobiec zapętleniu. W tym celu jeden przełącznik w pierścieniu oznaczamy jako RPL Owner (właściciel) a sąsiedni switch jako RPL Neighbor (sąsiad).

 
Rys. 2. Topologia multi-ring - drabinkowa

Od tej pory blokowany będzie segment pomiędzy tymi dwoma switchami. Dodatkowo w najnowszej implementacji administrator może ręcznie wymusić blokowanie określonego segmentu poleceniami Forced Switch (FS), Manual Switch (MS). W najnowszej wersji G.8032v2 wprowadzono możliwość budowania sieci w topologii drabinkowej i multi-ring.

Definiując parametr Ring ID można łączyć ze sobą wiele pierścieni praktycznie w dowolny sposób. Zmieniając wartość parametru Revertive, określamy czy po usunięciu awarii pierścień ma powrócić do swej pierwotne topologii. Technologia pozwala na włączenie QoS (Quality of Service), która umożliwia narzucenie reżimu pracy sieci.

W czasie normalnej pracy, gdy nie występuje żadna awaria RPL-Owner generuje wiadomości R-APS NR, RB (No Request, RPL Block). Periodycznie co 5 sekund wysyła je poprzez obydwa porty formujące pierścień. Komunikaty te wskazują który z portów (East/West) jest blokowany. Każdy switch w pierścieniu otrzymuje komunikaty R-APS rejestrując ID switcha oraz Block Port Reference (BPR).

 
Rys. 3. Topologia Dual ring

Służy to wykrywaniu zmian w topologii. Jakikolwiek błąd w dowolnym węźle sieci wyzwala komunikat R-APS Signal Failure (R-APS SF). Wiadomość o błędzie SF wysyłana jest w obu kierunkach, aby sąsiednie switche mogły zablokować te porty. Gdy wiadomość dotrze do RPL-owner automatycznie zostaje odblokowany port RPL.

Po ustąpieniu awarii wysyłany jest komunikat (R-APS) No Request. Po otrzymaniu wiadomości R-APS NR ring protection link (RPL) owner blokuje ponownie port RPL i wysyła komunikat R-APS NR, RB. Te wiadomości powodują, że we wszystkich węzłach poza RPL owner odblokowane są porty. Dzięki temu pierścień ERPS może mieć topologię multi-ring i jest odporny na jednoczesne wystąpienie kilku awarii.

Specyfikacja standardu G.8032 jest ogólnodostępna i szczegółowo opisana. Firma Antaira w pełni zaimplementowała ten standard w swoich przełącznikach sieciowych. Każdy dostawca zarządzalnych przełączników może go zaimplementować w swoich produktach. Użytkownicy nie są już ograniczeni ofertą jednego dostawcy przy rozbudowie lub modyfikacji sieci.

 
Rys. 4. Przełącznik zarządzalny LMP-1002-SFP-T firmy Antaira z obsługą protokołu ERPS

Co ważne takie rozwiązanie pozwala na integrację w jednej sieci przełączników szkieletowych np. Cisco z przemysłowymi switchami typu edge. Można zatem bez problemu połączyć sieć przemysłową z siecią informacyjną przedsiębiorstwa. Poszczególne funkcje oraz ich parametry działają identycznie, niezależnie od marki przełącznika.

Pozwala to na planowanie sieci bez wcześniejszych testów oraz mieszanie w jednej sieci komponentów od różnych dostawców. Dodatkowym atutem jest oszczędność na kosztownych szkoleniach, ponieważ firmy integratorskie nie muszą znać kilku różnych protokołów redundancji.

ERPS spotkał się z bardzo dużym zainteresowaniem producentów sprzętu sieciowego, ponieważ implementując go w swoich produktach zyskują przewagę nad firmami, które trwają przy własnych mechanizmach utrzymania sieci w ruchu. Prawdopodobnie w ciągu kilku lat wszelkie protokoły firmowe zostaną zmarginalizowane, tak jak to miało miejsce z dotychczasowymi sieciami przemysłowymi gdy Ethernet wkroczył do świata automatyki przemysłowej.

Antaira Technologies