Aktuální vydání

celé číslo

02

2024

Amper 2024

celé číslo

Redundantní Ethernet vyžaduje redundantní ethernetové porty

číslo 4/2005

Redundantní Ethernet vyžaduje redundantní ethernetové porty

V oboru IT se redundance sítě Etherent tradičně definuje jako „schopnost sítě dál fungovat i při jednotlivé poruše vedení propojujícího přepínače zařazené v síti„. Proč je takováto definice z pohledu automatizovaných systémů řízení nedostatečná a s jakými důsledky, vysvětluje v [1] Jonas Berge, jeden z předních odborníků v oboru průmyslových komunikačních sběrnic, mj. autor knih Fieldbuses for Process Control: Engineering, Operation, and Maintenance, ISA Press, 2001 (recenzované v časopise Automa č. 4/2003, str. 28), a Software for Automation: Architecture, Integration, and Security, ISA Press, 2005. Výtah z jeho názorů předkládáme dále k úvaze.

Kdy je a kdy není kruhová síť redundantní

V ethernetové lokální síti (LAN, Local Area Network) s kruhovou topologií tvoří jednotlivé přepínače (switch) spolu s propojovacími vodiči pomyslnou kružnici. Přepínače v síti přitom umožňují přenášet data buď po směru pohybu hodinových ručiček, nebo proti němu. K přepínačům jsou připojena koncová ethernetová zařízení. Zařízení s jedním ethernetovým portem připojené k přepínači tudíž může v kruhové síti komunikovat vždy vhodným směrem tak, aby „obešlo„ případnou poruchu vedení mezi přepínači. Z tohoto úzkého pohledu je kruhová topologie z principu redundantní.

Obr. 1.

Obr. 1. Kruhová topologie (přepínače mají po dvou portech a jsou do sítě zapojeny dvěma kabely, koncová zařízení mají pouze po jednom portu a jednom kabelu: porucha přepínače ovlivní všechna k němu připojená zařízení, porucha v přívodu k zařízení má vliv jen na toto zařízení)

V síti s kruhovou topologií podle obr. 1 však může nastat porucha ještě na mnoha jiných místech než jen na vedení mezi přepínači. Příčinou ztráty spojení s jedním nebo i několika koncovými zařízeními může být např. porucha portu v zařízení, porucha kabelu mezi zařízením a přepínačem nebo porucha v některém z přepínačů obsluhujících několik koncových zařízení. V širším pohledu je tedy kruhová topologie neredundantní.

Řízení procesů vyžaduje úplnou redundanci

Většina uživatelů systémů pro řízení spojitých technologických procesů tudíž v poslední době úzké pojetí redundace v ethernetových sítích podle IT odmítá. Vycházejí ze skutečnosti, že kruhová topologie Ethernetu není plně redundantním schématem ve smyslu požadavků obvyklých v jejich speciálním oboru a požadují redundanci ve stylu decentralizovaných řídicích systémů (DCS), kde je celá síť přinejmenším zdvojená, a proto zcela chráněna před důsledky jednotlivé poruchy.

Obr. 2.

Obr. 2. Redundance (existují dvě zcela oddělené lokální sítě, každé zařízení má dva porty a je připojeno dvěma kabely: spojení nepřeruší ani porucha přepínače, ani porucha v přívodu k zařízení)

Jinak řečeno, redundantní Ethernet v oboru řízení spojitých procesů znamená redundantní koncová zařízení a zdvojené přepínače v lokální síti (obr. 2). Při takovém uspořádání, s mnoha paralelními spojovacími cestami, zůstane síť funkční i při poruše libovolného kabelu, a dokonce i přepínače.

Jak úplné redundance dosáhnout

Pravda je, že kruhová topologie představuje hardwarové řešení fungující bez ohledu na použitý komunikační protokol a vyžadující u každého koncového zařízení pouze jeden port. Je to jednoduché a s minimem kabelů.

Naproti tomu Ethernet s tzv. úplnou redundancí, jak je obvyklá v systémech pro řízení spojitých procesů, vyžaduje od každého jednotlivého zařízení nejméně dva porty a dvě IP adresy. V praxi je při použití redundantních jednotek (karet) časté, že po dvou portech mají jak primární, tak i sekundární (záložní) řídicí jednotka; to mnohdy znamená celkem čtyři porty na zařízení.

Požadavek úplné redundance v případě Ethernetu také znamená, že všechna zúčastněná zařízení musí používat stejný protokol aplikační vrstvy a stejné mechanismy redundance v lokální síti. Většina současných DCS používá síť Ethernet v kombinaci s proprietárními aplikačními protokoly, které zajišťují i redundanci. Trend je ovšem takový, že uživatelé také chtějí do svých systémů integrovat i ethernetová zařízení a systémy dostupné nyní v hojném množství od třetích stran. K dosažení úplné redundance lokální sítě v takových integrovaných systémech musí být nad Ethernetem a IP umístěn standardní protokol aplikační vrstvy, který nejenže správně interpretuje obsah přenášených zpráv, ale také obsahuje interoperabilní mechanismus zajištění redundance sítě.

Protokolem s potřebnými vlastnostmi je např. Foundation Fieldbus High-Speed Ethernet (HSE). Nabízí nejen spojení na úrovni TCP/IP, ale i interoperabilitu v aplikační vrstvě a spolu s tím podporu samotné kruhové topologie a rovněž úplné redundance lokální sítě.

Závěr je, že síť Ethernet s kruhovou topologií je vhodným řešením tehdy, mají-li příslušná ethernetová zařízení pouze jeden port nebo nepoužívají-li shodný protokol aplikační vrstvy a mechanismus zajišťující redundanci sítě. Kruhovou topologii lze také kombinovat s plně redundantní lokální sítí a vytvořit tak systém vyznačující se opravdu velkou spolehlivostí.

Uživatelé řídicích systémů vyžadující skutečnou redundanci by měli pro Ethernet a IP v celém závodě zvolit a používat jediný standardní protokol aplikační vrstvy. Tento protokol musí podporovat standardní mechanismus zajištění redundance obstarávající zjištění poruchy včetně její lokalizace.

Literatura:
[1] Redundant Ethernet means redundant Ethernet ports. InTech, 2005, roč. 52, č. 2, s. 64.

(sk)