Как промышленные коммутаторы поддерживают резервирование?

Промышленные коммутаторы поддерживают резервирование, чтобы обеспечить надежность сети, отказоустойчивость и минимальное время простоя, что имеет решающее значение в промышленных средах, таких как производство, транспорт, коммунальные услуги и энергетика. Резервирование позволяет сети продолжать работу даже в случае сбоя устройства или канала, тем самым увеличивая общее время безотказной работы системы. Промышленные сети часто работают в суровых условиях, поэтому резервирование необходимо для поддержания непрерывной работы. Вот подробное описание того, как промышленные коммутаторы поддерживают резервирование:

1. Резервированные топологии

Физическое и логическое расположение сетевых подключений играет решающую роль в обеспечении резервирования. Промышленные коммутаторы поддерживают различные сетевые топологии, предназначенные для обеспечения альтернативных путей передачи данных в случае сбоя.

Распространенные резервированные топологии:

Кольцевая топология: Одна из наиболее широко используемых топологий в промышленных сетях для резервирования.

--- В кольцевой топологии коммутаторы подключаются по кругу. Если соединение разрывается, данные могут течь в противоположном направлении, предотвращая простои сети.

--- Протокол быстрого связующего дерева (RSTP) или защитное переключение кольца Ethernet (ERPS) обеспечивают быстрое восстановление в случае сбоя канала.

Топология сетки: В ячеистой топологии каждый коммутатор подключен к нескольким другим коммутаторам, создавая несколько резервных путей для данных.

--- Эта топология обеспечивает высокий уровень избыточности, поскольку между любыми двумя коммутаторами существует несколько путей, что снижает вероятность сбоя сети в случае сбоя одного канала или коммутатора.

Двойное подключение: В этой топологии коммутаторы имеют несколько подключений к двум различным коммутаторам (или маршрутизаторам), обеспечивая альтернативные пути в случае сбоя одного коммутатора.

Топология «звезда» с резервным ядром: Основной коммутатор (или коммутаторы) в центре звездообразной топологии имеет резервные каналы с граничными коммутаторами, поэтому в случае сбоя основного коммутатора или канала трафик перенаправляется на резервное ядро или другой канал.

Пример:

--- На заводе, если машина на производственной линии обменивается данными с центром управления через промышленную сеть, кольцевая топология может гарантировать, что в случае повреждения или отключения кабеля коммутатор перенаправит данные по альтернативному пути в сети. кольцо.

2. Протокол связующего дерева (STP) и его варианты

Протокол связующего дерева (STP) — это сетевой протокол, используемый для предотвращения образования петель в сетях Ethernet, которые часто встречаются в топологиях с резервированием. Без STP избыточные соединения могут вызвать широковещательные штормы, приводящие к сбою сети.

Варианты STP для более быстрого резервирования:

--- STP (протокол связующего дерева): STP создает логическую топологию без петель, блокируя избыточные каналы. Если основной канал выходит из строя, STP автоматически разблокирует резервный канал для восстановления соединения.

--- RSTP (протокол быстрого связующего дерева): расширенная версия STP, RSTP обеспечивает более быструю конвергенцию (обычно в течение нескольких секунд), чем STP, что делает его подходящим для промышленных сред, где быстрое переключение при сбое имеет решающее значение для предотвращения простоев производства.

--- MSTP (протокол множественного связующего дерева): MSTP позволяет нескольким связующим деревьям работать в одной физической топологии, обеспечивая лучшую балансировку нагрузки трафика и избыточность. Он более эффективен, чем STP и RSTP в более крупных сетях с несколькими VLAN.

3. Защитное переключение кольца Ethernet (ERPS).

Защитное переключение кольца Ethernet (ERPS) — это специализированный протокол, разработанный для кольцевых топологий, обеспечивающий еще более быстрое время восстановления, чем RSTP. ERPS может восстановить сетевое подключение менее чем за 50 миллисекунд в случае сбоя канала или коммутатора, что делает его идеальным для промышленных сред, где быстрое восстановление имеет решающее значение.

Как работает ERPS:

--- ERPS образует топологию с одним кольцом, в которой все коммутаторы соединены по круговой схеме.

--- Один коммутатор назначается владельцем канала защиты кольца (RPL), а один канал в кольце блокируется во избежание образования петель.

--- Если на каком-либо канале кольца происходит сбой, ERPS быстро разблокирует резервный канал, практически мгновенно восстанавливая полную связь.

4. Агрегация каналов (LAG)

Агрегация каналов (также известная как EtherChannel или объединение портов) — это метод, используемый для объединения нескольких физических каналов в один логический канал между двумя коммутаторами. Это обеспечивает избыточность на уровне канала за счет распределения трафика по нескольким каналам.

Преимущества агрегации ссылок:

--- Увеличение пропускной способности: объединяя несколько каналов, LAG увеличивает общую пропускную способность между двумя коммутаторами, уменьшая перегрузку.

--- Защита от сбоев: в случае сбоя одного канала в группе агрегации другие каналы продолжают работать, обеспечивая бесперебойный поток данных.

Пример:

--- Если промышленный коммутатор подключен к другому коммутатору через три физических канала (с использованием LAG), выход из строя одного канала не нарушит связь, поскольку оставшиеся два канала продолжат передавать трафик.

5. HSRP/VRRP (протоколы резервирования маршрутизатора)

Для промышленных коммутаторов уровня 3 (которые выполняют функции коммутации и маршрутизации) протокол горячего резерва маршрутизатора (HSRP) и протокол резервирования виртуального маршрутизатора (VRRP) обеспечивают резервирование на уровне маршрутизатора.

Как работает HSRP/VRRP:

--- HSRP (протокол маршрутизатора с горячим резервированием): собственный протокол Cisco, который позволяет нескольким коммутаторам уровня 3 (или маршрутизаторам) работать как один виртуальный маршрутизатор. Один коммутатор является активным, а другой находится в режиме ожидания. Если активный коммутатор выходит из строя, резервный коммутатор автоматически берет на себя функцию маршрутизации.

--- VRRP (Протокол резервирования виртуального маршрутизатора): протокол открытого стандарта, аналогичный HSRP. Это также позволяет нескольким коммутаторам использовать один виртуальный IP-адрес, обеспечивая избыточность на уровне маршрутизации уровня 3.

Вариант использования:

--- В промышленной среде, если у вас есть несколько подсетей и вы маршрутизируете трафик между ними с помощью коммутаторов уровня 3, HSRP или VRRP могут гарантировать, что сбой основного коммутатора маршрутизации не нарушит связь между подсетями.

6. Резервные источники питания

Многие промышленные коммутаторы имеют два входа питания для обеспечения резервирования на уровне мощности. Эта функция помогает защититься от сбоев электропитания, которые часто встречаются в суровых промышленных условиях из-за скачков напряжения, колебаний или неисправностей оборудования.

Функции резервного питания:

--- Двойные источники питания. Промышленные коммутаторы могут иметь два независимых входа питания от разных источников (переменного/постоянного тока), поэтому в случае выхода из строя одного источника питания другой берет на себя работу, не прерывая работу сети.

--- Питание через Ethernet (PoE): в коммутаторах PoE можно применить резервирование для подачи питания на критически важные устройства, такие как IP-камеры, датчики или телефоны VoIP, гарантируя, что в случае сбоя одного источника питания устройства продолжат получать питание через другой. Коммутатор или источник с поддержкой PoE.

7. Промышленные протоколы резервирования

В промышленных средах коммутаторы часто поддерживают специализированные промышленные протоколы, предназначенные для резервирования и высокой доступности.

Ключевые промышленные протоколы:

--- PRP (протокол параллельного резервирования): PRP обеспечивает восстановление с нулевой задержкой в случае сбоя канала или узла путем отправки идентичных кадров по двум независимым сетям. Это гарантирует продолжение связи даже в случае сбоя одной сети, что делает ее очень надежной для критически важных промышленных приложений.

--- HSR (бесшовное резервирование высокой доступности): HSR — это еще один протокол резервирования, используемый в промышленной автоматизации. Он работает аналогично PRP, отправляя дубликаты кадров данных, но делает это в рамках кольцевой топологии.

--- DLR (кольцо уровня устройства): DLR используется специально для кольцевых топологий в промышленных сетях Ethernet. Он обеспечивает быстрое восстановление сети (менее 3 мс) в случае сбоя канала, что делает его идеальным для систем управления в реальном времени в промышленной автоматизации.

8. Резервирование VLAN и подсети

VLAN (виртуальные локальные сети) и сегментация подсетей также могут использоваться для создания избыточности на логическом уровне.

Резервирование VLAN: Создавая резервные VLAN, вы можете разделить различные типы сетевого трафика (например, трафик управления, данные датчиков, видеонаблюдение) на изолированные сегменты. В случае сбоя в одной VLAN или сегменте другие VLAN остаются незатронутыми, обеспечивая продолжение критически важных операций.

Резервирование подсети: Использование отдельных подсетей для разных функциональных областей промышленной сети помогает ограничить масштаб сбоев. Коммутаторы уровня 3 могут маршрутизировать трафик между резервными подсетями, гарантируя, что сбой в одной подсети не повлияет на другие части сети.

9. Самовосстанавливающиеся сетевые протоколы

В дополнение к традиционным протоколам, таким как STP и ERPS, некоторые промышленные сети используют протоколы самовосстановления, которые автоматически перенаправляют трафик при обнаружении сбоя. Эти протоколы предназначены для минимизации простоев и обеспечения связи в реальном времени в критически важных приложениях.

Пример:

--- Profinet с MRP (протокол резервирования среды передачи): MRP — это протокол самовосстановления, используемый в промышленных сетях Profinet. Он поддерживает быстрое восстановление в кольцевых топологиях, гарантируя быстрое восстановление связи после сбоя.

Заключение

Промышленные коммутаторы поддерживают резервирование за счет сочетания резервных физических топологий, протоколов аварийного переключения и резервных источников питания. Целью резервирования является предоставление альтернативных путей для передачи данных и обеспечение бесперебойной работы сети даже в случае аппаратных сбоев, перебоев в работе каналов или проблем с питанием.

Некоторые из наиболее важных механизмов резервирования в промышленных сетях включают кольцевые топологии с ERPS, протоколы связующего дерева, такие как RSTP и MSTP, агрегацию каналов, а также протоколы резервирования маршрутизаторов, такие как HSRP и VRRP. Кроме того, специальные промышленные протоколы, такие как PRP, HSR и DLR, предоставляют специализированные решения по резервированию, отвечающие уникальным требованиям систем промышленной автоматизации и управления.

Внедряя эти методы резервирования, промышленные сети могут достичь высокой доступности, быстрого переключения при сбое и устойчивости в сложных средах.