Giới thiệu mạng Ethernet trong công nghiệp

1.1  Tổng quan mạng Ethernet công nghiệp

Mạng Ethernet công nghiệp đã và đang có những bước phát triển nhanh chóng, sẽ dần thay thế các mạng công nghiệp truyền thống khác. Các nhà máy sản xuất công nghiệp cũng nhận thấy những lợi ích của Ethernet công nghiệp trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất, đơn giản hóa quản lý và tích hợp thông tin giữa sản xuất và quản lý dễ dàng. Tuy nhiên, Ethernet trong công nghiệp có những khác biệt so với Ethernet dân dụng, văn phòng. Đó là cáp, chất lượng tín hiệu, Switch, vòng nối đất và lưu lượng (traffic).

1.2  Cáp mạng Ethernet

Như những chuẩn mạng công nghiệp khác, cáp Ethernet đóng vai trò quan trọng cho chất  lượng tín hiệu và đường truyền. Khác với môi trường ở văn phòng hay ở gia đình, môi trường công nghiệp là nơi có nhiều tín hiệu nhiễu điện từ, điều kiện khắc nghiệt về nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn và hóa chất. Do đó, việc chọn lựa cáp tín hiệu phù hợp góp phần quan trọng trong triển khai và vận hành hệ thống mạng.

Cáp mạng Ethernet

Vậy chọn loại cáp nào là phù hợp? Đối với môi trường như ở văn phòng thì có thể sử dụng cáp CAT5e (phổ biến hiện nay) với tốc độ truyền 100MB. Để sử dụng trong môi trường công nghiệp, theo tiêu chuẩn ANSI/TIA-1005 khuyến cao sử dụng cáp CAT6 hoặc hơn. Cáp CAT6 cho phép tốc độ truyền đạt đến 1GB ở khoảng cách 100m và 10GB ở khoảng cách 55m.

So với cáp CAT5 và CAT5e, CAT6 ít chịu ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ. Ngoài ra cáp CAT6 cũng được chế tạo về mặt vật lý phù hợp hơn với môi trường công nghiệp. Tuy nhiên, khi lắp đặt cáp CAT6 cần  lưu ý là các đầu nối RJ45, các Jack cũng phải đạt tiêu chuẩn CAT6 thì CAT6 mới có ý nghĩa.

Cáp bọc giáp (Shielded Cable), cáp không bọc giáp (Unshielded Cable) và vòng nối đất (ground loops). Việc lựa chọn cáp có bọc giáp hay không cũng là vấn đề đáng quan tâm. Nhưng dù có bọc giáp hay không thì việc lắp đặt đúng quy cách mới là quan trọng. Việc lắp đặt cáp có bọc giáp không đúng còn gây ra nhiều vấn đề hơn là không bọc giáp. Cáp có bọc giáp sử dụng tốt hơn cho môi trường nhiễu cao.

Vấn đề quan trọng nhất đối với cáp bọc giáp là phải đấu nối đất đúng cách. Để nối đất cho cáp có bọc giáp, ta chỉ cần nối đất một đầu cáp. Việc nối đất nhiều điểm trên đường truyền có thể tạo thành những vòng nối đất, gây ra chênh lệnh điện áp giữa các điểm, dẫn đến tạo ra nhiễu nhiều hơn trên chính sợi cáp.

Nếu đường mạng Ethernet phải đi ngang qua đường điện động lực, tốt nhất nên đi vuông góc. Khoảng cách song song tối thiểu giữa đường mạng Ethernet và đường điện động lực nên từ 20-30cm. Nếu điện áp cao thì khoảng cách phải xa hơn.

Nhìn chung, phải tránh đi cáp Ethernet xa các nguồn gây nhiễu. Các nguồn gây nhiêu bao gồm động cơ điện, các bộ điều khiển động cơ, thiết bị đóng cắt… Trong tủ điện, nên tách biệt đường cáp Ethernet riêng, khỏi các cáp động lực và điều khiển.

1.3  Switch trong mạng Ethernet

Switch là thiết bị mạng quan trọng trong hệ thống mạng Ethernet, được sử dụng để kết nối các thiết bị đầu cuối trong mạng.

Switch trong mạng Ethernet

Trong mạng Ethernet công nghiệp, có ba phương thức truyền thông: Unicast, Multicast và Broadcast. Unicast là truyền thông điểm – điểm, gói tin được gửi chỉ giữa 2 thiết bị với nhau. Multicast là phương thức truyền thông giữa một thiết bị với một nhóm thiết bị trong mạng. Và Broadcast là phương thức truyền thông giữa một thiết bị trong mạng với tất cả các thiết bị còn lại trong cùng lớp mạng.

Trong đó Multicast và Broadcast cần được quan tâm nhiều nhất. Nếu lượng Broadcast, Multicast không được kiểm soát tốt có thể là nguyên nhân làm chậm mạng, quả tải cho hệ thống mạng. Do đó cần hạn chế mức độ Broadcast, Multicast trong mạng ở mức dưới 100 Broadcast/giây đối với mạng tốc độ 100MB.

Switch được chia thành 2 loại: Managed Switch và Unmanaged Switch. Theo nguyên lý hoạt động, một khi Switch đã xây dựng được bảng địa chỉ MAC, cách xử lý gói tin Unicast và Broadcast của Managed Switch và Unmanaged Switch đều giống nhau. Một trong những điểm khác biệt giữa hai loại Switch này chính là cách xử lý gói tin Multicast trong mạng.

Phương thức truyền thông Multicast được sử dụng nhiều ở lớp điều khiển ở các thiết bị thông minh như các PAC, Flowmeter thế hệ mới, biến tần… các thiết bị sử dụng công nghệ Producer/Consumer để chia sẻ dữ liệu (các PAC). Vấn đề chính với Multicast ở đây là lưu lượng truyền thông sẽ tăng cao trong mạng tỷ lệ thuận với số lượng thiết bị trong mạng gây quá tải cho hệ thống mạng.

Managed Switch có tính năng quan trọng đó là IGMP (Internet Group Management Protocol) Snooping. Khi được kích hoạt IGMP Snooping, Switch sẽ xác định các thiết bị thuộc các nhóm Multicast. Sử dụng thông tin này, kết hợp với bảng địa chỉ MAC, Switch sẽ chỉ chuyển các gói tin Multicast đến các nhóm cổng tương ứng với nhóm Multicast thay vì chuyển thành gói tin Broadcast và gửi ra tất cả các cổng. Ngược lại, Unmanaged Switch chỉ có các tính năng cơ bản, không hỗ trợ các tính năng như IGMP. Do đó khi gói tin Multicast đến Unmanaged Switch, nó sẽ xem như là gói tin Broadcast và gửi ra tất cả các cổng của Switch. Do đó, nếu trong mạng sử dụng công nghệ Producer/Consumer hoặc có phương thức truyền thông Multicast thì nhất thiết phải sử dụng Managed Switch.

Trong nhiều trường hợp Unmanaged Switch vẫn có thể được sử dụng cho các cấu hình mạng không có Multicast, hoặc các mạng nhỏ, độc lập và đơn giản. Hoặc ta có thể kết hợp cả 2 loại Switch này trong cùng một hệ thống mạng. Theo đó, một nhóm thiết bị đầu cuối sẽ nối đến Unmanaged Switch. Sau đó các Unmanaged Switch này sẽ nối đến một hoặc nhiều Managed Switch.

Nhìn chung, với mạng Ethernet công nghiệp, Managed Switch là lựa chọn tốt hơn nhiều so với Unmanaged Switch. Không chỉ tốt hơn cho hiệu suất mạng mà còn cho cả việc vận hành, bảo trì và khắc phục sự cố sau này.

1.4  Khắc phục sự cố trong mạng Ethernet

Ngoài tính năng IGMP, Managed Switch còn có nhiều tính năng quan trọng khác như có thể lưu trữ lịch sử lỗi của Switch, cho phép kiểm soát tốc độ trên từng cổng, cài đặt bảo mật cho từng cổng và khả năng ánh xạ cổng mạng (Port Mirroring).

Tính năng ánh xạ cổng cho phép người quản trị theo dõi các gói tin được truyền qua các cổng của Switch bằng cách ánh xạ cổng đó sang một cổng khác để theo dõi, thông qua các phần mềm hỗ trợ. Chẳng hạn như khi mạng bị sự cố, người kỹ sư bảo trì sử dụng máy tính của mình, cắm cáp Ethernet nối máy tính vào một cổng mạng trên Switch và ánh xạ dữ liệu đang truyền trên cổng cần kiểm tra sang cổng này. Sử dụng phần mềm trên máy tính dễ dàng theo dõi xem lưu lượng Multicast, Broadcast đi qua cổng cần kiểm tra từ đó xác định các nguyên nhân sự cố.

Khi nói đến sự cố trên mạng Ethernet, thiết bị cần kiểm tra đầu tiên thường là Switch. Mặc dù về mặt vật lý, đáp ứng của Switch nhanh hơn từ 5 đến 10 lần đáp ứng của các thiết bị đầu cuối. Do đó phần cứng Switch ít khi gây ra vấn đề mạng. Phần lớn nguyên nhân gây các sự cố làm chậm mạng, rớt mạng là do truyền thông Multicast hoặc Broadcast quá nhiều khiến thiết bị mạng bị quá tải. Cho nên để tối ưu hiệu suất mạng cần kiểm soát tốt Multicast và Broadcast trong mạng.

1.5  Kết nối với hệ thống mạng IT

Hệ thống mạng Ethernet công nghiệp trong các ứng dụng điều khiển có thể chia thành 3 dạng: Hệ thống độc lập cỡ nhỏ, hệ thống độc lập tổng quát và hệ thống lớn tích hợp toàn diện với hệ thống mạng IT. Tùy quy mô mạng người thiết kế sẽ tính toán lựa chọn các kiến trúc mạng phù hợp. Nhưng dù ở quy mô nào ta vẫn phải giải quyết các vấn đề đã được đề cập ở trên. Bên cạnh đó, đối với hệ thống mạng phức tạp, ngoài việc phải quản lý tốt Broadcast và Multicast, cần phải quan tâm đến các vấn đề như bảo mật, độ tin cậy và dự phòng sự cố cho hệ thống mạng… để nâng cao hiệu suất của toàn bộ hệ thống mạng trong doanh nghiệp.