Резервирование промышленных сетей

В состав промышленной сети входят линии связи, коммутаторы, сетевые мосты, маршрутизаторы, сетевые контролеры, преобразователи интерфейсов и источники питания. Однако чаще всего резервируются только линии связи, как наименее надежные элементы.

Основной характеристикой метода резервирования промышленных сетей является длительность перехода на резерв.

Сети Profibus, Modbus, CAN

Резервирование промышленных сетей выполняется обычно одновременно с резервированием контроллеров (см. раздел "Процессорные модули"). Для этого в каждом ПЛК используют два (реже - три) сетевых порта, к одному из них подключают основную промышленную сеть, к другому - резервную (Bertocco). Каждый контроллер имеет средства контроля работоспособности сети и в случае ее отказа переключает свой порт на резервную сеть. В системах с голосованием резервирование выполняется проще: исходящий поток сообщений посылается во все сети одновременно, а входящие потоки из всех сетей проходят через схему голосования (см. раздел "Общие принципы резервирования").

Для контроллеров, имеющих один сетевой порт и не предназначенных для работы в резервированных сетях, выпускаются специальные модули резервирования (см. www.abb.com), которые имеют один разъем ( на рис. 8.17) для подключения к порту оконечного устройства, например, ПЛК, и два разъема ( и ) для подключения к основной и резервной сети (рис. 8.17). Модули могут работать в многомастерных сетях как с ведущими, так и с ведомыми устройствами. Ведомых устройств, подключаемых к одному модулю резервирования, может быть несколько ( на рис. 8.17). Модуль работает как коммутируемый повторитель интерфейса, одновременно контролируя исправность сети. Отказ обнаруживается по первому символу в передаваемом сообщении и при его появлении модуль переключается на резервный порт.

Основной проблемой резервирования сетей методом замещения является обнаружение отказа. Поскольку после отказа (например, обрыва) сети на некотором участке доставка сообщений к отсоединенной части сети невозможна, обнаружение отказа должно выполняться каждым участником сети автономно. Но это возможно только в многомастерных сетях или в сетях, имеющих специальные аппаратные средства контроля.

Протоколы резервирования промышленных сетей являются узкоспециализированными закрытыми разработками фирм-производителей контроллеров и в общедоступной литературе не описаны.

Рис. 8.17. Резервирование промышленной сети с помощью коммутации портов; ... - оконечные устройства, ... - модули резервирования сети

Сети Ethernet

Резервированию в промышленных сетях Ethernet с коммутаторами посвящена серия стандартов IEEE [IEEE, IEEE]. Однако первоначально они были предназначены только для исключения замкнутых контуров в сетях, поэтому требования к быстродействию алгоритмов учтены не были. В связи с резким ростом спроса на промышленный Ethernet (рост около 50% в год c 2004 г. [Prytz]) возросли требования ко времени переключения на резерв. Поэтому в 2005 г. началась работа над новым стандартом IEC 62439 “ High Availability Automation Networks” ("Сети промышленной автоматизации с высокой готовностью"), которая была инициирована комитетом IEC по цифровой коммуникации TC65C.

Основной проблемой при резервировании сетей Ethernet с коммутаторами является устранение замкнутых логических контуров (петель, циклов). Логические петли не допускаются потому, что при их наличии коммуникационные пакеты могли бы вечно путешествовать по сети, ограничивая ее пропускную способность. При возрастании трафика был бы возможен также отказ в обслуживании из-за превышения пропускной способности сети. Кроме того, в таблице MAC-адресов коммутаторов появились бы одни и те же адреса для разных портов.

Для исключения логических петель служит стандартизованный алгоритм STP [IEEE], который выполняет блокировку портов коммутатора, через которые петли замыкаются. После появления промышленного Ethernet оказалось, что алгоритм STP позволяет искусственно вводить в сеть резервные ветви, которые, однако, не создают логических петель благодаря STP-алгоритму. При отказе некоторых ветвей протокол STP выбирает новые сетевые маршруты, в которых участвуют зарезервированные ранее связи.

Существует несколько методов резервирования промышленного Ethernet:

o агрегирование линий связи;

o резервирование на основе STP и RSTP протоколов;

o организация в сети физического кольца;

o полное резервирование всей сети.

Первые два метода стандартизованы, вторые два являются нестандартными разработками фирм-производителей и многие из них защищены патентами.

Метод агрегирования

Метод агрегирования линий связи описан в стандарте IEEE 802.3ad "Aggregation of Multiple Link Segments", который является разделом общего стандарта IEEE 802.3 [IEEE]. Этот метод использует два и более параллельных кабелей и портов для каждой линии связи. Объединение нескольких физических линий связи в один логический канал осуществляется с помощью протокола Link Aggregation Control Protocol (LACP). При этом группа (агрегат) линий связи и портов представляется одним логическим сервисным интерфейсом с одним MAC-адресом. В протоколе LACP полные Ethernet фреймы попеременно отсылаются по параллельным линиям связи и объединяются в приемнике. Пропускная способность такого агрегированного канала оказывается прямо пропорциональна количеству физических линий. При отказе одной линии данные пересылаются по другой. Этот стандарт поддерживается многими производителями Ethernet коммутаторов.

Метод резервирования, изложенный в стандарте IEEE 802.3ad, предполагает, что все агрегированные линии связи должны исходить из одного и того же коммутатора, т.е. сеть должна иметь топологию звезды. Для устранения этого ограничения фирмой Nortel были предложены три модификации метода агрегирования: SMLT ("Split Multi-Link Trunking"), DSMLT (Distributed Split Multi-Link Trunking) и R-SMLT ("Routed-SMLT) (см. www.nortel.com). Модификации этого метода предложены также фирмами Cisco и Adaptec, однако они несовместимы между собой и со стандартом.

Рис. 8.18. Резервирование в сети Ethernet методом агрегирования линий связи

Метод агрегирования используется для резервирования соединений между коммутаторами, между коммутатором и сервером, а также между двумя компьютерами. Для дублирования связи между ПЛК и коммутатором ПЛК должен иметь два Ethernet-порта и драйвер, поддерживающий протокол LACP (IEEE 802.3ad), который предоставляет операционной системе один сетевой порт, физически состоящий из двух линий связи (рис. 8.18). При использовании 4-кратного резервирования связи между сервером и коммутатором (рис. 8.18) в сервер вставляется специальная 4-портовая Ethernet-карта с соответствующим драйвером, который заменяет 4 физических Ethernet порта одним логическим.

Достоинством метода является увеличение пропускной способности сети, возможность добавления произвольного количества линий связи для согласования пропускной способности разных каналов, малое время восстановления после отказа. Однако для резервирования сети в целом необходимо удвоенное количество кабелей и коммутаторов, что может быть неоправданно дорого. Кроме того, практически используемые схемы агрегирования часто не соответствуют стандартам IEEE, а оборудование разных производителей может быть несовместимым.

Метод агрегирования в соответствии с IEEE 802.3ad обеспечивает резервирование только линий связи; коммутаторы или сетевые контроллеры подключенного к сети оборудования остаются нерезервированными. Однако некоторые фирмы (см., например, www.syskonnect.com) предлагают дополнительное программное обеспечение, позволяющее объединять в один логический порт несколько каналов, проходящих через разные коммутаторы, которые, таким образом, оказываются резервированными.