Turbo Chain Hệ thống phục hồi dựa trên công nghệ vòng dự phòng Ethernet

Turbo Chain Hệ thống phục hồi dựa trên công nghệ vòng dự phòng Ethernet Trong những năm gần đây, công nghệ Ethernet dự phòng đã được ứng dụng nhanh chóng và rộng rãi trong ngành công nghiệp bởi độ tin cậy của nó ngày càng được nâng cao. Tuy nhiên, khi sử dụng quá nhiều, yêu cầu kết nối mạng của nó cũng tăng lên, làm cho các công nghệ dự phòng (như cấu trúc liên kết vòng đơn giản) trong một số trường hợp nhất định không đủ năng lực đáp ứng. Điều này đã thách thức công nghệ dự phòng bởi một công nghệ Ethernet dự phòng lý tưởng phải có khả năng hỗ trợ nhiều liên kết dự phòng. Bài viết này sẽ lần lượt giới thiệu cho độc giả các công nghệ dự phòng tiêu chuẩn. Tiếp đến là giới thiệu công nghệ dự phòng mới có thể được áp dụng nhằm tăng hiệu quả và sự sẵn sàng của nhiều liên kết dự phòng trong các ứng dụng công nghiệp, cùng với một số ví dụ chứng minh lợi ích sử dụng các giải pháp dự phòng mới này. Xây dựng các mạng dự phòng có độ tin cậy cao Đối với các mạng dự phòng Ethernet công nghiệp, vấn đề thường gặp nhất hiện nay là thiếu một công nghệ để dễ dàng xây dựng nên các mạng có độ sẵn sàng cao có chứa các liên kết dự phòng phức tạp. Trong những ứng dụng yêu cầu cao như điện gió, đường ống dẫn dầu và các mạng tự động hóa đường ray, thường đòi hỏi mạng Ethernet lớn với khả năng dự phòng, và mạng có thể bao quát nhiều địa điểm với khoảng cách lớn cũng như đòi hỏi các cấu trúc liên kết linh hoạt hơn. Ngoài ra, các vấn đề khác như việc mở rộng mạng khó khăn hay khắc phục sự cố chậm cũng thường xẩy ra. Turbo Chain, công nghệ mới nhất của Moxa, có thể giải quyết những vấn đề này một cách chính xác và hiệu quả. Các công nghệ dự phòng mạng Hiện có rất nhiều cơ cấu có khả năng kháng lỗi cao trong một mạng Ethernet. Phổ biến nhất vẫn là kết nối mạng mắt lưới, STP, RSTP, ... Hình 1: Kết nối mạng mắt lưới Hình 2: Giao thức cây bắc cầu phong tỏa các cổng dự phòng để chuyển sang các vòng lặp Kết nối mạng mắt lưới Mạng mắt lưới là mạng mà tất cả các nút đều được kết nối mới nhau trong một mạng hoàn chỉnh. Mọi nút được kết nối với nút khác trên mạng thông qua các hop. Dữ liệu di chuyển trên mạng mắt lưới được cấu hình tự động để tới đích bằng con đường ngắn nhất. Giao thức cây bắc cầu (STP) STP (theo định nghĩa trong tiêu chuẩn IEEE 802.1D) được thiết kế nhằm loại bỏ các vòng lặp trong một mạng bằng cách chia mạng thành một hình cây không vòng lặp. Nó giúp mạng có được khả năng dự phòng link và tối ưu hóa đường dẫn. Mạng trong hình 2 là một ví dụ về mạng Ethernet dự phòng sử dụng STP và có một vòng lặp giữa các chuyển mạch 1 đến 5. STP sử dụng một thuật toán để tìm ra các link dự phòng trong một mạng và cho phép các đường dẫn nào đó như đường dẫn dự phòng chống lặp lại. Khi STP đang chạy, các gói dữ liệu được truyền từ chuyển mạch 5 về chuyển mạch root sẽ đi qua chuyển mạch số 3. Khi chuyển mạch 3 ngắt kết nối hoặc bị hỏng, STP sẽ tự động sắp xếp lại kết nối bằng cách kích hoạt đường dẫn dự phòng để chuyển tiếp dữ liệu. Mặc dù STP giải quyết được vấn đề vòng lặp và có được khả năng dự phòng mạng, song nó vẫn có một số hạn chế nhất định. Một trong những hạn chế đó là thời gian phục hồi chậm; với STP, thời gian phục hồi thường kéo dài 15 giây sau khi cây mở rộng được thiết lập. Thời gian này là quá dài đối với các ứng dụng công nghiệp. Hình 3: Ví dụ về dự phòng vòng Hình 4: Kết nối mạng Turbo Chain Giao thức hình cây mở rộng nhanh (RSTP) Để khắc phục nhược điểm của STP, IEEE đưa ra tiêu chuẩn IEEE 802.1w nhằm cải tiến STP. Điều này đã làm giảm tốc độ phục hồi xuống còn 1 giây. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng công nghiệp thời gian thực và hết sức quan trọng như các hệ thống quân sự và điều khiển quá trình, thời gian phục hồi phải nhỏ hơn 100 milli giây để đảm bảo độ tin cậy của mạng. STP & RSTP là các tiêu chuẩn mở mà rất nhiều nhà sản xuất chuyển mạch Ethernet đã sử dụng trong các sản phẩm chuyển mạch có quản lí của mình. Thời gian tự phục hồi nhanh hơn của RSTP rất hữu ích trong mạng doanh nghiệp nơi thời gian delay mạng vài giây có thể chấp nhận được. Tuy nhiên trong một mạng điều khiển công nghiệp, việc truyền dữ liệu chậm đi một giây có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng. Dự phòng vòng độc quyền Dự phòng vòng là một công nghệ phổ biến trong các mạng Ethernet công nghiệp hiện nay. Đây là một giải pháp hiệu quả hơn mạng mắt lưới đồng thời khắc phục được vấn đề thời gian phục hồi của STP/RSTP. Hiện nay có rất nhiều công nghệ dự phòng vòng khác nhau có thời gian phục hồi trong vài milli giây được các nhà cung cấp giải pháp Ethernet công nghiệp sản xuất, thí dụ như Turbo Ring của Moxa. Dự phòng vòng đảm bảo hoạt động của mạng không ngừng với thời gian phục hồi cực nhanh. Thí dụ, sử dụng Turbo Ring, nếu một phân khúc bất kỳ của mạng bị ngắt kết nối, hệ thống mạng sẽ phục hồi chưa đầy 20 milli giây bằng cách kích hoạt đường dẫn dự phòng trong một vòng. Tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế đối với dự phòng vòng. Khả năng tương kết là một khó khăn bởi vì các công nghệ vòng dự phòng thường độc quyền. Ngoài ra, dự phòng vòng chỉ hỗ trợ có giới hạn số lượng vòng trong một chuyển mạch đơn. Turbo Chain: Một hệ thống phục hồi mới ưu việt hơn hẳn vòng dự phòng Turbo Chain của Moxa là một công nghệ dự phòng tiên tiến giải quyết các cấu trúc liên kết thiếu linh hoạt trong kết nối mạng mắt lưới, thời gian phục hồi chậm của STP/RSTP, và khả năng tương kết hạn chế hay số lượng vòng hạn chế của dự phòng vòng. Sử dụng nó, người quản trị mạng có thể linh hoạt tạo ra bất kỳ loại cấu trúc liên kết dự phòng nào trong bất kỳ phân khúc mạng nào. Turbo Chain làm việc bằng cách kết nối các chuyển mạch Ethernet với nhau để hình thành một vòng hoa cúc, nơi chuyển mạch đầu và chuyển mạch đuôi được cấu hình trước tiên, sau đó các chuyển mạch còn lại được cấu hình làm các chuyển mạch thành viên. Tiếp đến, chỉ cần đơn giản liên kết 2 đầu của chuỗi vào một mạng Ethernet, như vậy là thiết lập được hoàn tất. Hình 4 minh họa ngắn gọn một mạng Turbo Chain. Turbo Chain cung cấp khả năng dự phòng nhanh chóng mà các ứng dụng công nghiệp cần. Khi một phân khúc của chuỗi bị hỏng, đường dẫn bị khóa (liên kết giữa chuyển mạch đuôi và mạng bên ngoài) sẽ nhanh chóng được kích hoạt trong vòng 20 milli giây. Cơ cấu phục hồi nhanh này sẽ đảm bảo rằng mạng Ethernet công nghiệp luôn hoạt động ổn định. Lợi ích của Turbo Turbo Chain mang lại những lợi ích thiết thực cho các mạng công nghiệp đòi hỏi các cấu trúc liên kết dự phòng phức tạp, đem đến độ tin cậy và sự sẵn sàng cao nhất của các ứng dụng mạng Ethernet công nghiệp. Khi mạng nhận một kiến trúc nhiều vòng, Turbo Chain là giải pháp tốt nhất với 4 lí do sau đây: cấu trúc linh hoạt/dễ mở rộng, mở rộng không giới hạn, thời gian phục hồi lỗi nhanh và triển khai hiệu quả cao. Xây dựng các cấu trúc liên kết dự phòng có độ linh hoạt cao và có khả năng mở rộng Turbo Chain cực kỳ linh hoạt trong điều tiết bất kỳ kiểu cấu trúc liên kết phức tạp nào. Với phương pháp chuỗi, kỹ sư mạng giờ đây tự do tạo ra bao nhiêu liên kết dự phòng tùy thích khi họ có chuyển mạch và cổng bằng cách đơn giản liên kết Turbo Chain mới với bất kỳ phân khúc mạng Ethernet nào. Mở rộng không giới hạn để tạo ra các mạng dự phòng Turbo Chain cho phép mở rộng mạng không giới hạn và dễ dàng. Kỹ sư mạng không cần phải tái cấu hình mạng hiện có. Ngoài ra, Turbo Chain có thể được kết nối với mạng sử dụng bất kỳ công nghệ dự phòng khác nào như STP, RSTP, và công nghệ Turbo Ring của Moxa. Cơ cấu phục hồi tin cậy và nhanh chóng Turbo Chain cung cấp khả năng dự phòng cấp công nghiệp có khả năng khắc phục lỗi từng phân khúc mạng. Nếu bất kỳ một liên kết mạng nào gặp trục trặc, Turbo Chain sẽ ngay lập tức kích hoạt đường dẫn bị khóa, và tiếp tục chuyển tiếp dữ liệu - tất cả chỉ mất chưa đầy 20 milli giây phục hồi. Chi phí triển khai thấp hơn so với ghép vòng Turbo Chain giảm thời gian triển khai, giảm công sức và chi phí lắp đặt, do kết nối của các mạng dự phòng khác nhau có thể thực hiện được trực tiếp mà không cần ghép vòng. Khi được so sánh với công nghệ gép vòng, Turbo Chain giúp giảm đáng kể chi phí do các cổng Ethernet hay hàng cây số kết nối cáp quang hình thành các được dẫn ghép vòng gây ra. Kiểu triển khai này lí tưởng đối với các ứng dụng đòi hỏi dự phòng mạng và phải cân nhắc đến ngân sách cũng như những khó khăn trong kết nối cáp với hoạt động ghép vòng. Ứng dụng điển hình Các ứng dụng công nghiệp sử dụng nhiều cơ sở hạ tầng Ethernet dự phòng để nâng cao độ tin cậy, sự sẵn sàng và khả năng thích ứng của các mạng quan trọng. Công nghệ Turbo Chain của Moxa hỗ trợ kết nối nhiều vòng linh hoạt và mở rộng mạng dễ dàng và lí tưởng đối với các ứng dụng kết nối mạng dự phòng quy mô lớn như các ứng dụng điện gió, đường ống dẫn dầu và đường ray. Trường hợp 1: Hệ thống phong điện Trong các ứng dụng điện gió, các điểm giao tiếp như cối xay gió, thường nằm rải rác khắp toàn bộ trang trại điện gió. Các kết nối mạng Ethernet dự phòng là một giải pháp lí tưởng liên kết các nút cối xay gió với nhau và tạo ra một mạng giao tiếp tin cậy để thu thập dữ liệu từ xa, điều khiển thiết bị, điều chỉnh thông số cài đặt cối xay gió. Turbo Chain là giải pháp hiệu quả nhất. Nó thỏa mãn các yêu cầu ứng dụng đối với mạng tự phục hồi tin cậy (thời gian phục hồi < 20 milli giây) và chi phí triển khai thấp, và có khả năng mở rộng cao do đó sẽ có thể bổ sung tuabin trong tương lai một cách thuận tiện. Trường hợp 2: Hệ thống đường ống dẫn dầu Một mạng lưới đường ống dẫn dầu kéo dài nhiều dặm thường đòi hỏi các vòng con của cơ sở hạ tầng Ethernet quang ở nhiều điểm để tạo nên một hệ thống giám sát và điều khiển phân tán tin cậy. Tuy nhiên, chi phí kết nối cáp quang lên tới hàng chục nghìn đô la cộng với nhiều ngày công lắp đặt. Turbo Chain có thể được sử dụng để làm giảm chi phí triển khai mạng và nâng cao độ tin cậy hệ thống. Các chuỗi độc lập được hình thành trong các phân đoạn mạng lưới đường ống dẫn dầu khác nhau có thể được mắc vào mạng vòng dự phòng trung tâm một cách nhanh chóng và tốn kém ít chi phí. Với cách này, mạng lưới đường ống dẫn dầu có thể thích ứng và mở rộng. Trường hợp 3: Hệ thống đường ray xe lửa Trong một hệ thống đường ray, sử dụng hệ thống giám sát dự phòng tập trung để kết nối các trạm truyền thông nhỏ khác nhau để có hoạt động thời gian thực đảm bảo truyền dữ liệu hàng ngày an toàn. Turbo Chain cho phép hệ thống đường ray mở rộng dễ dàng và nhanh chóng bất cứ khi nào mạng cần. Thay vì phải tạo ra một vòng con khác cho mạng lưới mới, hay tái định tuyến/tái cấu hình mạng hiện tại, người quản trị có thể liên kết các nút mới một cách đơn giản, và mắc chuỗi này với mạng hiện có. Cho dù mạng hiện tại có chạy các giao thức STP, RSTP, Turbo Ring hay không, Turbo Chain có thể tương kết với chúng mạnh mẽ và tin cậy. Các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi các hệ thống mạng tin cậy, dự phòng để đảm bảo các hoạt động mạng không ngừng. Do độ phức tạp trong kết nối dây hiện trường công nghiệp ngày càng tăng, việc triển khai kết nối dự phòng với sự linh hoạt và khả năng mở rộng trở thành điều bắt buộc. Cho dù hiện nay có rất nhiều giao thức dự phòng, công nghệ dự phòng Turbo Chain, được hỗ trợ bởi tất cả các chuyển mạch Ethernet có quản lí công nghiệp của Moxa là một giải pháp có độ sẵn sàng cao nhất cho phép người quản trị mạng xây dựng nên nhiều liên kết dự phòng với sự dễ dàng và khả năng thích ứng lớn nhất. Ưu điểm của công nghệ dự phòng Turbo Chain: * Cấu trúc mạng linh hoạt và dễ mở rộng, không mất công tái cấu hình. * Hoàn toàn tương kết với các mạng dự phòng khác như STP, RSTP, và mạng Turbo Ring của Moxa. * Thời gian phục hồi lỗi nhanh chóng (< 20 milli giây) của công nghệ Turbo Chain cho hoạt động hệ thống tin cậy. * Triển khai hiệu quả hơn so với ghép vòng.q