Redundancja połączeń w Astraada NET
Kurs konfiguracji switchy zarządzalnych Astraada NET, odc. 7

W tym odcinku nauczymy się konfigurowania połączeń nadmiarowych, czyli obsługi redundancji w switchach przemysłowych Astraada NET.

Co to jest redundancja? W jakim celu się ją stosuje?

Redundancja (łac. redundantia – nadmiar, zbytek) to nadmiarowość w stosunku do tego, co konieczne. W kontekście sieci przemysłowych redundancja będzie odnosić się do nadmiarowych połączeń przy budowaniu struktury sieci, które zapewnią pewność i stabilność działania.

Zapewnienie pewności i stabilności przesyłu danych to bardzo ważny aspekt współczesnych systemów automatyki. Sieci komunikacyjne często transportują nie tylko kluczowe dane dla ciągłości produkcji, ale również informacje, które odpowiadają za bezpieczeństwo operatorów maszyn i pracowników w ich otoczeniu. W związku z tym w projektowaniu sieci przemysłowej należy zapobiec ewentualnym przerwom w komunikacji i zastosować połączenia redundantne, które podniosą dostępność i poprawią niezawodność zwiększając tym samym bezpieczeństwo.

Jakie problemy po stronie użytkownika rozwiązuje obsługa redundancji połączeń w switchach Astraada NET?

Wszelkie pętle i podwojone połączenia w sieci Ethernet są bardzo niekorzystne. Prowadzą one do zapętlenia pakietów danych, które zaczynają krążyć w sieci w nieskończoność, utrudniając przy tym płynny przesył pozostałych informacji. Sieć, mówiąc kolokwialnie, „zapycha się”.

Niemniej jednak nadmiarowe połączenia w automatyce są stosowane powszechnie, aby w prosty sposób móc je wykorzystać w przypadku zerwania połączenia głównego. Funkcjonalność ta została zaadaptowana w sieciach Ethernet za sprawą specjalnych protokołów, które w trybie normalnej pracy dezaktywują jedno z nadmiarowych połączeń, a gdy jakieś połączenie ulegnie awarii, bardzo szybko przywracają komunikację wykorzystując zapasowe połączenie. Tym samym bez ingerencji służb technicznych w przypadku awarii systemu automatycznie przełącza się na łącza rezerwowe, zapewniając niezburzony przepływ informacji w systemie i gwarantując dostępność do danych nawet w przypadku awarii switcha lub dowolnego redundantnego łącza komunikacyjnego.  

Protokoły redundancji: MSR, STP, ERPS – czym się różnią?

Obsługa redundancji w systemach komunikacji przemysłowej wymaga wykorzystania protokołów redundancji, które służą do zapewnienia ciągłości działania sieci nawet jeśli nastąpi awaria kabla lub switcha. To dzięki obsłudze tych protokołów w switchach przemysłowych dane mogą ominąć uszkodzony fragment sieci i dotrzeć do punktu docelowego inną drogą.

STP – Spanning Tree Protocol

Pierwszym protokołem umożliwiającym zastosowanie redundancji w sieci Ethernet jest protokół STP (ang. Spanning Tree Protocol), który w Polsce nazywany jest Protokołem Drzewa Rozpinającego. Nazwa ta wywodzi się bezpośrednio z funkcjonalności protokołu, który zachowuje strukturę drzewa z otwartymi gałęziami w sieci, pomimo fizycznie istniejących pętli. Dzieje się tak za sprawą tego, że protokół ignoruje takie połączenia w trybie normalnej pracy, natomiast w momencie wystąpienia zerwania komunikacji na którejś z gałęzi następuje jej rozpięcie i wpięcie do komunikacji ignorowanego dotychczas połączenia redundantnego. Struktura drzewa ulega rekonfiguracji, a komunikacja zostaje przywrócona.

Protokół ten jest jednym z najstarszych dostępnych w switchach przemysłowych. Czas rekonfiguracji sieci przy awarii jest dość długi i wynosi od kilku sekund do nawet kilku minut przy bardziej rozbudowanych sieciach. Jest w miarę standardowym rozwiązaniem i działa na większości switchy przemysłowych. Z biegiem czasu protokół był rozwijany i na jego podstawie stworzono RSTP – zapewniający szybszy czas reakcji, a także MSTP, który dodatkowo zabezpiecza VLAN-y.

ERPS (ang. Ethernet Ring Protection Switching)

Alternatywą dla protokołów STP jest protokół ERPS, który łączy kilka switchy w jeden pierścień. Pierścień to jedyna architektura sieci, w jakiej ten protokół może zostać wykorzystany. Protokół ten zapewnia bardzo szybki powrót komunikacji – na poziomie 50 ms po jej utracie, a sama konfiguracja jest prosta: wystarczy zdefiniować, które porty mają być wejściem i wyjściem pierścienia.

Protokół ten w swojej idei blokuje tylko jeden port w pierścieniu i przywraca go automatycznie w chwili rozłączenia pierścienia w innym miejscu. Przeznaczony jest do obsługi sieci przemysłowych wymagających wysokiej dostępności spotykanych w systemach automatyki, monitoringu i systemach SCADA, głównie w infrastrukturze krytycznej jak energetyka, górnictwo, hutnictwo, wod-kan, transport i infrastruktura kolejowa. Na rysunku poniżej przedstawiono schematycznie połączenie 6 switchy w pierścień. Protokół ERPS pozwala na redundantne połączenie, jednocześnie blokując połączenie między 2 i 3 switchem, aby uniknąć zapętlenia pakietów danych.

Protokół MSR (ang. Multiple Super Ring)

Podobnie jak ERPS, ten protokół pozwala na łączenie switchy w pierścień oraz na bardzo szybkie przywracanie komunikacji po awarii jednego z połączeń. Jest to zaawansowana wersja protokołu ERPS i pozwala na tworzenie bardziej złożonych i odpornych na awarie sieci przemysłowych, bazujących na topologii pierścienia.

MSR pozwala na tworzenie kilku pierścieni redundancji w jednej sieci i zamiast jednego pierścienia, protokół pozwala obsługiwać wiele pierścieni (multiple Rings), które mogą współistnieć i zapewniać ciągłość działania sieci w przypadku awarii. W ramach każdego pierścienia protokół działa podobnie do ERPS, to znaczy blokuje jeden port, aby zapobiec pętli i automatycznie przekierowuje ruch po awarii. W architekturach, gdzie pierścieni jest więcej i jeden z pierścieni jest uszkodzony, sieć automatycznie przełącza się na inne dostępne pierścienie, co zapewnia bardzo wysoką dostępność i niezawodność. Zasadę działania i możliwe architektury omówimy w kolejnym akapicie.

Jak wygląda architektura urządzeń pracujących w RING i jakie rolę pełnią urządzenia Astraada NET?

Połączenie typu RING posiada jeden nadmiarowy węzeł komunikacyjny, łączący pierwszy switch z ostatnim. Węzeł ten podczas standardowej pracy jest wyłączony i przygotowany do załączenia na wypadek wystąpienia ewentualnej przerwy w komunikacji. Całość konfiguracji odbywa się za pośrednictwem interfejsu webowego oraz specjalnego protokołu MSR (Multiple Super Ring), który jest wyróżnikiem dla switchy zarządzalnych z serii Astraada NET.

Protokół ten umożliwia konfigurowanie i monitorowanie kilku połączeń redundantnych jednocześnie, co bezpośrednio przekłada się na podniesienie jakości zabezpieczeń sieci. Połączenie przejrzystego interfejsu z praktycznym protokołem MSR sprawia, że skonfigurowanie nawet rozbudowanej sieci połączeń redundantnych sprowadza się do kilku prostych czynności.

Jak możemy zobaczyć na schemacie, wybrane switche łączą dwa niezależne Ringowe połączenia.

Jak wygląda konfiguracja redundancji połączeń w oparciu o MSR w Astraada NET?

Teraz przejdziemy do części praktycznej tego odcinka, gdzie pokażemy, jak skonfigurować połączenie RING w oparciu o protokół MSR w interfejsie webowym switcha JET-NET 5216G-4C4F. Dla celów ćwiczeniowych niezbędne będą trzy switche, aby w pełni zobaczyć, jak działa połączenie typu RING. W pierwszej kolejności skonfigurujemy odpowiednie ustawienia w interfejsie webowym, a potem połączymy fizycznie switche ze sobą.

Przed przystąpieniem do konfiguracji urządzenia upewnij się, że na switchu nie są aktywne żadne VLAN-y ani inne niestandardowe ustawienia sieciowe. Obecność istniejących konfiguracji może powodować konflikty i zaburzyć poprawne działanie ćwiczeń związanych z protokołem MSR (Multiple Super Ring). Najlepszym rozwiązaniem jest przywrócenie ustawień fabrycznych switcha. Dzięki temu będziemy mogli rozpocząć konfigurację od zera i skupić się wyłącznie na zrozumieniu i działaniu protokołu MSR.

1. Aby rozpocząć konfigurację, połącz się z interfejsem webowym przy pomocy przeglądarki, Wpisując w pasek adresu IP switcha. Informację o tym, jak zalogować się do switcha, znajdziesz w odcinku 4 (LINK). W tym szkoleniu będziemy używać switchy o adresach IP: 192.168.10.10/20/30.

2. Przejdź do grupy parametrów Switch Management > Network Redundancy > Multiple Super Ring.

3. W zakładce MSR Global Setting dodaj nowy Ring przyciskiem ADD.

4. Uzupełnij okienko konfiguracyjne Ringa zgodnie z animacją.

• Nadaj nazwę i Ring ID. Na potrzeby tego przykładu zostanie stworzone połączenie Ring1 – ID:1. Nazwa oraz ID pomagają w późniejszej konfiguracji i zarządzaniu wieloma Ringami jednocześnie.
• Active Mode – wybierz Rapid Super Ring (dla połączeń pierścieniowych). Drugą opcją jest Super Chain (dla połączeń urządzeń w łańcuch), szerzej będzie to omówione w kolejnym akapicie.
• Priority oraz Path Cost – nadajemy odpowiedni priorytet całemu Ringowi i poszczególnym jego portom, aby uporządkować przesył danych (zostaw bez zmian).
• Port – wybierz dwa porty które będą zdefiniowane jako te do łączenia w Ring (w naszym przypadku port 1 i 4, dla celów tego ćwiczenia ustaw te same porty, aby ułatwić dalszą konfigurację).
• Dual-Homing – dodatkowa opcja, która umożliwia zapewnienie połączenia redundantnego pomiędzy dwoma zewnętrznymi połączeniami typu Ring (nie używamy).
• DH Ext. ID – wiąże się bezpośrednio z Dual-Homing, gdyż w tym miejscu definiuje się ID zewnętrznego Ringa, z którym konfigurowany Ring ma nawiązać połączenie DH.
• Status– zaznaczając Enable, aktywujesz Ring

5. Kliknij Confirm, a następnie Apply.

6. Konfiguracja zakończona. Pamiętaj, aby zapisać ustawienia do pamięci flash (Save Configuration), w innym wypadku po restarcie zasilania konfiguracja zostanie utracona.

7. Należy również wyłączyć protokół STP, jest to zalecane przez producenta, aby protokół MSR działał prawidłowo.

• Wejdź w grupę parametrów Switch Management > Network Redundancy > Spanning Tree.
• W zakładce Mode Selection ustaw STP Mode jako Disable.
• Zatwierdź Apply.

8. Powtórz powyższe kroki na pozostałych switchach mających wejść w skład Ringa, należy pamiętać, aby każdy switch miał inny adres IP.

Uwaga: Bardzo ważne jest, aby Ring ID w każdym switchu było takie samo, ponieważ ten parametr decyduje o przynależności do danego Ringa.

Teraz wystarczy połączyć switche ze sobą, wykorzystując porty zadeklarowane we wcześniejszej konfiguracji (w naszym przypadku porty 1 i 4). Pomocna będzie poniższa grafika.

Pamiętaj, aby być stale podłączonym do jednego ze switchy z komputera PC, aby mieć dostęp do interfejsu sieciowego.

Diagnostyka redundancji połączeń w Astraada NET – gdzie można sprawdzić status jak to działa?

Aby sprawdzić działanie Ringa, przejdź do System Monitoring > Network Redundancy Status > Multiple Super Ring.

Wciśnij przycisk Refresh, aby zobaczyć aktualny stan komunikacji.

W tej zakładce widzimy następujące rzeczy:

• Aktualnie skonfigurowane Ringi po ich ID.
  • Active Mode – aktualny tryb pracy.
  • Role – RM (RingMaster) albo nonRM – pokazuje, który ze switchy zarządza Ringiem.
  • Status – Normal – Ring działa normalnie, Abnormal – Ring nie działa prawidłowo, np. jedno z połączeń zostało zerwane.
  • RM MAC – adres MAC Ring Mastera, pozwala na lokalizację, które z urządzeń nim jest.
  • Port – porty obsługujące Ring.
  • Blocking Port – ten port jest blokowany, aby dane nie krążyły w pętli, zostanie odblokowany, gdy jedno z pozostałych połączeń ulegnie awarii.
  • Role Transition Count – wyświetla, ile razy przełącznik zmienił swoją rolę z innej niż RM na RM lub z RM na inną niż RM.
  • Ring State Transition Count – wyświetla, ile razy stan Ringu przeszedł ze stanu Normal na Abnormal.

Dwa ostanie parametry pokazują, jak często coś się działo z komunikacją. Ich wysokie wartości mogą wskazywać, że któryś z kabli jest źle zamocowany i dlatego Ring jest zrywany i znów przywracany.

Warto przetestować działanie Ringa, przez rozłączanie poszczególnych połączeń między switchami i sprawdzanie, jak poszczególne parametry będą się zachowywały oraz czy komunikacja z panelem HMI nadal działa.

Co to Super Chain? W jakim celu się go stosuje?

Często może zdarzyć się sytuacja, że chcąc rozbudować sieć przemysłową nie wiemy dokładnie, jaka jest jej struktura. Wtedy z pomocą przychodzi protokół Super Chain.

Ta technologia pozwala na podłączenie się switchami połączonymi w łańcuch do dowolnej istniejącej struktury. Dzięki temu mogą działać w redundantnych sieciach o dowolnej złożoności. Zewnętrzne switche są ustawione jako brzegowe (border), natomiast każdy z pozostałych pracuje jako member.

Jak wygląda konfiguracja Super Chain?

Konfiguracja Super Chain jest bardzo zbliżona do MSR. Pierwsze kroki robimy dokładnie tak samo, jak w przypadku MSR, z jedną różnicą: w sekcji Active Mode wybieramy Super Chain. Po konfiguracji tabelka powinna wyglądać jak na obrazku poniżej.

Kolejnym krokiem jest określenie, czy dany switch jest brzegowym (border) czy członkiem (member). Aby to skonfigurować, przejdź do Multiple Super Ring > Super Chain i wybierz Member albo Border (jeśli wybierzemy Border,  należy też wybrać port, który będzie łączył się z nieznaną strukturą).

Na zakończenie klikamy Apply.

Skonfiguruj teraz switche ustawiając je zgodnie z wytycznymi:

• Switch 1 (IP 192.168.10.10) – ustaw jako brzegowy (border), port krańcowy 1.
• Switch 2 (IP 192.168.10.20) – ustaw jako członek (member).
• Switch 3 (IP 192.168.10.30) – ustaw jako brzegowy (border), port krańcowy 1.

Nieznaną strukturę sieci możesz zasymulować kolejnym switchem, nawet takim najprostszym, niezarządzalnym. Dzięki temu zobaczysz, że gdy jedno z połączeń zostanie zerwane, komunikacja trwa nadal.

Konfiguracja Vlanów i połączenia w Ring na jednej sieci

A co w wypadku, gdybyśmy jednocześnie chcieli stosować VLAN-y, dla uporządkowania ruchu w sieci oraz połączenia redundantne dla niezawodności komunikacji? Jest to oczywiście możliwe, jednak należy pamiętać o dwóch zasadach:

1. Porty, które biorą udział w tworzeniu Ringa, muszą wchodzić w skład VLAN-a zarządzalnego.

2. Porty tworzące Ring mają być dodane do VLAN-a jako tagowane.

Mając na uwadze te dwie kwestie, tabelka skonfigurowanych VLAN-ów będzie wyglądać np. tak:

Dla porównania: tabelka z poprzedniego odcinka:

Oczywiście jest to tylko propozycja konfiguracji, jednak łatwo można zauważyć, że jedyną różnicą w stosunku do konfiguracji z poprzedniego odcinka jest ustawienie portu 1 jako tagowanego i dodanie go do każdego VLANu, aby ramki danych przechodzące przez niego zachowywały informację, do którego VLANu należą.

Dodatkowo możemy dokładnie taką samą konfigurację ustawić na każdym ze switchy. Po upewnieniu się, że mamy prawidłowo skonfigurowane wszystko w protokole MSR, możemy fizycznie połączyć nasze switche zgodnie z grafiką:

Teraz wykonaj testy połączenia, sprawdzając komunikację między PC a HMI przy różnych konfiguracjach, podobnie jak poprzednio przetestuj działanie VLAN-ów i Ringa, aby potwierdzić, że ich działanie nie zostało zaburzone.

Podsumowanie

Konfiguracja redundantnych połączeń jest bardzo prosta. Intuicyjny interfejs webowy umożliwia sprawne skonfigurowanie połączenia i jego szybkie uruchomienie.

Samo połączenie Ring, szczególnie w wersji rapid, jest bardzo dobrym zabezpieczeniem sieci. Reakcja na wystąpienie przerwania w komunikacji jest wręcz natychmiastowa, dzięki czemu sieć nie odczuje problemu, a komunikacja zostanie zachowana. Z kolei przy rozbudowywaniu sieci bardzo przydatna jest funkcja Super Chain, która pozwala na podłączenie łańcucha switchy do dowolnej struktury i zastosowanie połączenia nadmiarowego.

W kolejnym odcinku rozszerzymy temat redundancji połączeń o zagadnienie agregacji.

Autor kursu:

Krzysztof Stysiek

Stażysta ASTOR. Student Inżynierii i Zarządzania Procesami Przemysłowymi na AGH. W wolnym czasie wędruje po górach, czyta książki fantasy i rozwija swoje umiejętności w tańcu towarzyskim.