Jak zwiększyć niezawodność sieci Ethernet? Konfiguracja switchy zarządzalnych

Jak radzić sobie ze współczesnymi wyzwaniami dzięki rozwiązaniom z zakresu komunikacji przemysłowej?

Jeszcze kilkanaście lat temu wśród wielu inżynierów panował pogląd, że sieć Ethernet jest dobra, ale nie nadaje się do zastosowań przemysłowych. Czołowi producenci urządzeń sterujących – a wśród nich firma GE – udowodnili, że jest jednak inaczej i obecnie to sieć Ethernet stanowi najczęściej spotykane łącze komunikacyjne w ramach przedsiębiorstwa.

Co spowodowało, że to sieć Ethernet zyskała tak ogromną popularność, że w bardzo krótkim czasie zadomowiła się w większości instalacji?

Czynników wpływających na to jest wiele, ale jednym z najistotniejszych była popularyzacja przełączników sieciowych Ethernet (switch) i niskie koszty związane z instalacjami wykorzystującymi ten standard.

Przełącznik sieci Ethernet – „switch” – pozwolił na znaczne uelastycznienie struktury połączeń – m.in. brak konieczności stosowania połączeń typu „magistrala”, bardziej naturalne łączenie urządzeń do centralnego punktu w połączeniach typu „gwiazda” – dzięki temu osiągnięto łatwość zmian, reorganizacji stanowisk pracy itp.

Z biegiem czasu sieć Ethernet rozwijała się, wprowadzając nowe standardy prędkości czy obsługę połączeń światłowodowych, a jej wykorzystanie w instalacjach przemysłowych rosło. Obecnie przy bardzo dużej wydajności sieci przemysłowej coraz większe znaczenie odgrywa niezawodność sieci (która przy standardowej pracy jest na wysokim poziomie), zwłaszcza niezawodność w przypadkach awarii wynikających z przyczyn losowych (np. uszkodzenia kabla transmisyjnego lub braku zasilania we fragmencie instalacji).

Ochrona sieci

Ochronę przed problemem braku zasilania najskuteczniej można zapewnić poprzez doprowadzenie rezerwowego źródła zasilania. Serie przełączników Astraada Jet Net 30xx i wyższe posiadają podwójne złącza zasilające, które umożliwiają podłączenie niezależnych źródeł zasilania i automatyczne przełączenie na źródło rezerwowe, gdy podstawowy układ zasilający ulega uszkodzeniu. Wyjście przekaźnikowe przełącznika pozwala na sygnalizację stanu awarii pracy układu (brak jednego z zasileń, brak podłączenia Ethernet do innego układu), a dzięki temu szybsze odnalezienie przyczyny problemu.

Przełączniki zaawansowane – nazywane zarządzalnymi – pozwalają na parametryzację wielu parametrów pracy sieci, a dzięki temu na znaczne poszerzenie diagnostyki i niezawodności sieci. Jednym z przykładów może być wykorzystanie mechanizmu agregacji połączeń, które umożliwia zestawienie 2 lub większej ilości kabli, które łączą dwa przełączniki. Zastosowanie dodatkowych połączeń chroni sieć przed awarią pojedynczych kabli, a dodatkowo może również wpłynąć na zwiększenie wydajności łącza na odcinku, gdzie zastosowano nadmiarowe połączenia.

Konfiguracja switchy zarządzalnych

Konfiguracja mechanizmu agregacji połączeń sprowadza się do zalogowania do interfejsu przełącznika Ethernet, a następnie konfiguracji karty „Aggregation Setting” w ramach „Port Configuration -> Port Trunking”. Przykładowo – chcąc zgrupować 3 porty (8,9,10) w jeden w kolumnie Group ID – należy wybrać wspólny numer grupy (tutaj „Trunk 1”) i zapisać zmiany. W zależności od łączonych elementów i obsługiwanych protokołów można wybrać tryb „Static” lub „802.3ad LACP” i zatwierdzić zmiany przyciskiem Apply (oraz Save -> Save to Flash, jeżeli zmiany mają zostać zapisane na stałe). Analogiczną konfigurację należy wykonać po stronie drugiego urządzenia, które ze sobą łączymy. Należy pamiętać, iż agregację połączeń możemy wykonać w ramach portów o identycznych parametrach prędkości – 1 Gb lub 100 Mb.

Innym sposobem zwiększenia niezawodności sieci, bardzo często obecnie stosowanym, może być utworzenie połączeń typu RING pomiędzy przełącznikami. Sieć charakteryzuje się nadmiarowym połączeniem łączącym ostatni przełącznik sieciowy z pierwszym – tworzą one pierścień.

Stworzenie takiej architektury na urządzeniach nie obsługujących mechanizmów nadmiarowych połączeń doprowadzi w szybkim czasie do całkowitego paraliżu sieci (lawinowy przesył pakietów). Jednakże zastosowanie takiego połączenia w zaawansowanych przełącznikach ochroni sieć nawet w przypadku zerwania któregoś z połączeń.

W normalnej pracy nadmiarowe połączenie nie bierze aktywnego udziału w komunikacji, a jedynie jest utrzymywane w stanie gotowości na wypadek awarii któregoś z pozostałych połączeń. Zastosowane w przełącznikach Astraada Jet Net mechanizmy powodują, że przełączenie aktywnego łącza następuje w czasie poniżej 5 ms, co jest w praktyce niezauważalne na większości procesów.

Również konfiguracja tej metody redundancji jest bardzo prosta – przy korzystaniu z interfejsu WEB przełącznika. Będąc zalogowanym w interfejsie urządzenia, należy przejść do karty „Multiple Super Ring” znajdującej się w folderze „Network Redundancy”.

Pierwszym krokiem jest utworzenie nowego Ringu poprzez wpisanie liczbowego identyfikatora w pole „Ring ID” oraz opcjonalnej nazwy, która ma charakter pomocniczy.

Przyciśnięcie przycisku Add spowoduje zdefiniowanie nowej pozycji w tabeli konfiguracji Ringu („Ring Configuration”), gdzie należy określić numer portów wykorzystywanych do połączenia z pozo- stałymi przełącznikami tworzącymi RING. Służą do tego pola „Ring Port1” oraz „Ring Port2”.

Przykładowo -jeżeli portami tworzącymi Ring są porty 5 i 6, należy takie numer portów przyporządkować do wyżej wymienionych właściwości. Aktywacja pracy ringu następuje po ustawieniu parametru „Ring Status” na „Enabled” i potwierdzenie zmian przyciskiem „Apply”.

Analogiczną konfigurację należy wykonać w pozostałych przełącznikach tworzących RING. Mając do czynienia z wieloma przełącznikami zarządzalnymi, które włączone są we wspólną sieć, należy jeszcze zadbać o nadanie im indywidualnych adresów IP.

Nowe urządzenia mają identyczne adresy nadawane na etapie produkcji. Zmianę adresu można wykonać z poziomu karty „Basic Setting – > IP configuration” lub korzystając z oprogramowania Korenix View, gdzie grupowo można przydzielić adresy IP wielu przełącznikom jednocześnie.

Dalszym rozwinięciem technologii rezerwowych połączeń jest utworzenie połączeń w pierścieniu z agregacją. Taki układ łączy w sobie cechy dwóch wcześniej opisanych tzn. połączenie typu RING kieruje pakiety aktywną ścieżką, a w przypadku jej uszkodzenia – drogą alternatywną; dodatkowa agregacja połączeń pomiędzy przełącznikami wzmacnia odporność sieci na uszkodzenia przewodów, jak również zwiększa przepustowość połączeń.

Konfiguracja takiej struktury połączeń sprowadza się do połączenia wcześniej opisanych metod tzn. utworzenia ringu oraz określenia grup portów tworzących poszczególne fragmenty sieci.
Przykładowo, jeżeli ring składa się z trzech zgrupowanych przewodów wychodzących do jednego przełącznika (na portach 3, 4 i 5) i dwóch wychodzących do drugiego (na portach 6 i 7), konfiguracja agregacji wygląda następująco:

a agregowane połączenia widoczne są również w oknie konfiguracji Ringu:

Jeżeli struktury podłączanych urządzeń są jeszcze bardziej zaawansowane, można skorzystać z technologii Rapid Dual Homing. Mechanizm też pozwala na połączenie ze sobą niezależnych przełączników sieciowych Astraada NET w większą strukturę, tworząc redundantne połączenie pomiędzy RINGami. Zerwanie przewodu pomiędzy switchami różnych ringów nie zrywa komunikacji, a jedynie zmienia ścieżkę przepływu danych na drugie zapasowe łącze.

Konfiguracja łączenia już zdefiniowanych RINGów ze sobą za pomocą mechanizmu Dual Homing sprowadza się do przejścia na kartę „Multiple Super Ring” i w ramach zdefiniowanego ringu – wpisania ID zewnętrznego ringu oraz aktywacji pola „Rapid Dual Homing”:

Oprócz wymienionych technologii łączenia, przełączniki Astraada Net umożliwiają również wykorzystanie klasycznych protokołów nadmiarowych połączeń jak STP (spanning tree protocol), RSTP czy MSTP umożliwiając tworzenia nadmiarowych połączeń w dowolnej strukturze i połączenie przemysłowych przełączników Astraada Net z innych przełącznikami, np. wykorzystywanymi w części biurowej zakładu.