كيف تدعم المفاتيح الصناعية التكرار؟

تدعم المحولات الصناعية التكرار لضمان موثوقية الشبكة، والتسامح مع الأخطاء، والحد الأدنى من وقت التوقف عن العمل، وهو أمر بالغ الأهمية في البيئات الصناعية مثل قطاعات التصنيع والنقل والمرافق والطاقة. يسمح التكرار للشبكة بمواصلة العمل حتى في حالة فشل جهاز أو رابط، وبالتالي تحسين وقت تشغيل النظام بشكل عام. تعمل الشبكات الصناعية غالبًا في بيئات قاسية، لذا يعد التكرار ضروريًا للحفاظ على العمليات المستمرة. وفيما يلي وصف تفصيلي لكيفية دعم المحولات الصناعية للتكرار:

1. طبولوجيا زائدة عن الحاجة

يلعب التخطيط المادي والمنطقي لاتصالات الشبكة دورًا حاسمًا في التكرار. تدعم المحولات الصناعية مجموعة متنوعة من طبولوجيا الشبكة المصممة لتوفير مسارات بيانات بديلة في حالة حدوث فشل.

طبولوجيا زائدة عن الحاجة المشتركة:

طوبولوجيا الحلقة: واحدة من الطبولوجيا الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في الشبكات الصناعية للتكرار.

--- في الهيكل الحلقي، يتم توصيل المفاتيح بطريقة دائرية. في حالة انقطاع الارتباط، يمكن أن تتدفق البيانات في الاتجاه المعاكس، مما يمنع توقف الشبكة.

--- يضمن بروتوكول الشجرة الممتدة السريع (RSTP) أو تبديل حماية حلقة Ethernet (ERPS) الاسترداد السريع في حالة فشل الارتباط.

طوبولوجيا الشبكة: في الهيكل الشبكي، يتم توصيل كل محول بمحولات أخرى متعددة، مما يؤدي إلى إنشاء عدة مسارات زائدة عن الحاجة للبيانات.

--- توفر هذه الهيكلية مستوى عالٍ من التكرار نظرًا لوجود مسارات متعددة بين أي محولين، مما يقلل من احتمالية انقطاع الشبكة في حالة فشل رابط أو محول واحد.

صاروخ موجه مزدوج: في هذه الهيكلية، تحتوي المحولات على اتصالات متعددة بمحولين (أو موجهين) مختلفين، مما يوفر مسارات بديلة في حالة فشل محول واحد.

طوبولوجيا النجوم ذات النواة الزائدة عن الحاجة: يحتوي المحول الأساسي (أو المحولات) الموجود في مركز الهيكل النجمي على روابط زائدة عن الحاجة إلى محولات الحافة، لذلك في حالة فشل المحول الأساسي أو الارتباط، تتم إعادة توجيه حركة المرور إلى المركز الاحتياطي أو رابط آخر.

مثال:

--- في المصنع، إذا اتصل جهاز على خط الإنتاج بمركز تحكم عبر شبكة صناعية، يمكن أن تضمن البنية الحلقية أنه في حالة تلف الكابل أو فصله، سيقوم المحول بإعادة توجيه البيانات من خلال مسار بديل في جرس.

2. بروتوكول الشجرة الممتدة (STP) ومتغيراته

بروتوكول الشجرة الممتدة (STP) هو بروتوكول شبكة يستخدم لمنع الحلقات في شبكات إيثرنت، والتي تعتبر شائعة في الطبولوجيا المتكررة. بدون بروتوكول STP، قد تتسبب الاتصالات المتكررة في حدوث عواصف بث، مما يؤدي إلى فشل الشبكة.

متغيرات STP لتكرار أسرع:

--- STP (بروتوكول الشجرة الممتدة): يقوم STP بإنشاء طوبولوجيا منطقية خالية من الحلقات عن طريق حظر الروابط المتكررة. في حالة فشل الارتباط الأساسي، يقوم STP تلقائيًا بإلغاء حظر الارتباط الاحتياطي لاستعادة الاتصال.

--- RSTP (بروتوكول الشجرة الممتدة السريع): نسخة محسنة من STP، يوفر RSTP تقاربًا أسرع (عادةً في غضون ثوانٍ قليلة) من STP، مما يجعله مناسبًا للبيئات الصناعية حيث يعد تجاوز الفشل السريع أمرًا بالغ الأهمية لتجنب توقف الإنتاج.

--- MSTP (بروتوكول الشجرة الممتدة المتعددة): يسمح MSTP لعدة أشجار ممتدة بالعمل على نفس الهيكل الفعلي، مما يوفر موازنة أفضل لحمل حركة المرور والتكرار. إنه أكثر كفاءة من STP وRSTP في الشبكات الكبيرة ذات شبكات VLAN المتعددة.

3. تبديل حماية حلقة الإيثرنت (ERPS)

يعد تبديل حماية حلقة Ethernet (ERPS) بروتوكولًا متخصصًا مصممًا لبنيات الحلقة، مما يوفر أوقات استرداد أسرع من RSTP. يمكن لـ ERPS استعادة الاتصال بالشبكة في أقل من 50 مللي ثانية في حالة فشل الارتباط أو المحول، مما يجعله مثاليًا للبيئات الصناعية التي يكون فيها التعافي السريع أمرًا بالغ الأهمية.

كيف يعمل نظام تخطيط موارد المؤسسات (ERPS):

--- يشكل نظام ERPS طوبولوجيا حلقة واحدة مع توصيل جميع المفاتيح بنمط دائري.

--- تم تعيين مفتاح واحد كمالك لرابط حماية الحلقة (RPL)، وتم حظر رابط واحد في الحلقة لمنع التكرارات.

--- في حالة حدوث فشل في أي رابط في الحلقة، يقوم ERPS بإلغاء حظر الارتباط الاحتياطي بسرعة، واستعادة الاتصال الكامل على الفور تقريبًا.

4. تجميع الارتباط (LAG)

يعد تجميع الارتباطات (المعروف أيضًا باسم EtherChannel أو قنوات المنافذ) طريقة تُستخدم لدمج عدة روابط فعلية في رابط منطقي واحد بين محولين. وهذا يوفر التكرار على مستوى الارتباط عن طريق نشر حركة المرور عبر روابط متعددة.

فوائد تجميع الارتباط:

--- زيادة عرض النطاق الترددي: من خلال تجميع روابط متعددة، يزيد LAG من عرض النطاق الترددي الإجمالي بين محولين، مما يقلل الازدحام.

--- الحماية من تجاوز الفشل: في حالة فشل أحد الروابط في مجموعة التجميع، تستمر الروابط الأخرى في العمل، مما يضمن تدفق البيانات دون انقطاع.

مثال:

--- إذا كان المحول الصناعي متصلاً بمحول آخر عبر ثلاث وصلات مادية (باستخدام LAG)، فإن فشل رابط واحد لن يؤدي إلى تعطيل الاتصال، حيث ستستمر الوصلتان المتبقيتان في نقل حركة المرور.

5. HSRP/VRRP (بروتوكولات تكرار جهاز التوجيه)

بالنسبة للمحولات الصناعية من الطبقة الثالثة (التي تؤدي وظائف التحويل والتوجيه)، يوفر بروتوكول جهاز التوجيه الاحتياطي السريع (HSRP) وبروتوكول تكرار جهاز التوجيه الظاهري (VRRP) تكرارًا على مستوى جهاز التوجيه.

كيف يعمل HSRP/VRRP:

--- HSRP (بروتوكول جهاز التوجيه الاحتياطي السريع): بروتوكول خاص بشركة Cisco يسمح لمحولات (أو أجهزة توجيه) متعددة من الطبقة الثالثة بالعمل كموجه افتراضي واحد. أحد المفاتيح هو المفتاح النشط، بينما الآخر في وضع الاستعداد. في حالة فشل المفتاح النشط، يتولى مفتاح الاستعداد وظيفة التوجيه بسلاسة.

--- VRRP (بروتوكول تكرار جهاز التوجيه الافتراضي): بروتوكول قياسي مفتوح مشابه لـ HSRP. كما يسمح أيضًا لمحولات متعددة بمشاركة عنوان IP افتراضي واحد، مما يوفر التكرار على مستوى توجيه الطبقة الثالثة.

حالة الاستخدام:

--- في بيئة صناعية، إذا كان لديك شبكات فرعية متعددة وتقوم بتوجيه حركة المرور بينها باستخدام محولات الطبقة الثالثة، فيمكن أن يضمن HSRP أو VRRP أن فشل محول التوجيه الأساسي لا يؤدي إلى تعطيل الاتصال بين الشبكات الفرعية.

6. مصادر الطاقة الزائدة

تم تصميم العديد من المفاتيح الصناعية بمدخلات طاقة مزدوجة لضمان التكرار على مستوى الطاقة. تساعد هذه الميزة على الحماية من حالات فشل مصدر الطاقة، والتي تعتبر شائعة في البيئات الصناعية القاسية بسبب ارتفاع الطاقة أو التقلبات أو خلل في المعدات.

ميزات الطاقة الزائدة:

--- مصادر الطاقة المزدوجة: قد تحتوي المفاتيح الصناعية على مدخلي طاقة مستقلين من مصادر مختلفة (AC/DC)، لذلك في حالة فشل أحد مصادر الطاقة، يتولى الآخر المسؤولية دون مقاطعة تشغيل الشبكة.

--- الطاقة عبر إيثرنت (PoE): في محولات PoE، يمكن تطبيق التكرار على توصيل الطاقة إلى الأجهزة المهمة مثل كاميرات IP أو أجهزة الاستشعار أو هواتف VoIP من خلال ضمان أنه في حالة فشل أحد مصادر الطاقة، تستمر الأجهزة في تلقي الطاقة من خلال مصدر آخر مفتاح أو مصدر يدعم PoE.

7. البروتوكولات الصناعية للتكرار

في البيئات الصناعية، غالبًا ما تدعم المحولات البروتوكولات الصناعية المتخصصة المصممة للتكرار والتوفر العالي.

البروتوكولات الصناعية الرئيسية:

--- PRP (بروتوكول التكرار المتوازي): يوفر PRP استردادًا بدون تأخير في حالة فشل الارتباط أو العقدة عن طريق إرسال إطارات متطابقة عبر شبكتين مستقلتين. وهذا يضمن استمرار الاتصال حتى في حالة تعطل إحدى الشبكات، مما يجعلها موثوقة للغاية للتطبيقات الصناعية الهامة.

--- HSR (التكرار السلس عالي التوفر): HSR هو بروتوكول تكرار آخر يستخدم في الأتمتة الصناعية. إنه يعمل بشكل مشابه لـ PRP عن طريق إرسال إطارات بيانات مكررة، ولكنه يفعل ذلك ضمن طوبولوجيا الحلقة.

--- DLR (حلقة على مستوى الجهاز): يتم استخدام DLR خصيصًا لطبولوجيا الحلقة في شبكات Ethernet الصناعية. فهو يوفر استردادًا سريعًا للشبكة (في أقل من 3 مللي ثانية) في حالة فشل الارتباط، مما يجعله مثاليًا لأنظمة التحكم في الوقت الفعلي في الأتمتة الصناعية.

8. تكرار شبكة VLAN والشبكة الفرعية

يمكن أيضًا استخدام شبكات VLAN (شبكات المنطقة المحلية الافتراضية) وتجزئة الشبكة الفرعية لإنشاء التكرار على المستوى المنطقي.

تكرار شبكة VLAN: من خلال إنشاء شبكات VLAN متكررة، يمكنك فصل أنواع مختلفة من حركة مرور الشبكة (على سبيل المثال، التحكم في حركة المرور، وبيانات الاستشعار، والمراقبة بالفيديو) إلى مقاطع معزولة. في حالة فشل أحد شبكات VLAN أو مقطع واحد، تظل شبكات VLAN الأخرى غير متأثرة، مما يضمن استمرار العمليات الحيوية.

تكرار الشبكة الفرعية: يساعد استخدام شبكات فرعية منفصلة للمناطق الوظيفية المختلفة للشبكة الصناعية في الحد من نطاق الأعطال. يمكن لمحولات الطبقة الثالثة توجيه حركة المرور بين الشبكات الفرعية المتكررة، مما يضمن عدم تأثير الفشل في شبكة فرعية واحدة على أجزاء أخرى من الشبكة.

9. بروتوكولات الشبكة ذاتية الشفاء

بالإضافة إلى البروتوكولات التقليدية مثل STP وERPS، تستخدم بعض الشبكات الصناعية بروتوكولات الإصلاح الذاتي التي تعيد توجيه حركة المرور تلقائيًا عند اكتشاف الفشل. تم تصميم هذه البروتوكولات لتقليل وقت التوقف عن العمل وضمان الاتصالات في الوقت الفعلي في التطبيقات ذات المهام الحرجة.

مثال:

--- Profinet مع MRP (بروتوكول تكرار الوسائط): MRP هو بروتوكول إصلاح ذاتي يستخدم في شبكات Profinet الصناعية. وهو يدعم الاسترداد السريع في طبولوجيا الحلقة، مما يضمن استعادة الاتصال بسرعة بعد الفشل.

خاتمة

تدعم المحولات الصناعية التكرار من خلال مجموعة من الهياكل المادية الزائدة عن الحاجة، وبروتوكولات تجاوز الفشل، ومصادر إمداد الطاقة الاحتياطية. الهدف من التكرار هو توفير مسارات بديلة لنقل البيانات والتأكد من استمرار عمليات الشبكة دون انقطاع، حتى في حالة فشل الأجهزة، أو انقطاع الارتباط، أو مشكلات الطاقة.

تتضمن بعض أهم آليات التكرار في الشبكات الصناعية طبولوجيا الحلقة مع ERPS، وبروتوكولات الشجرة الممتدة مثل RSTP وMSTP، وتجميع الارتباطات، وبروتوكولات تكرار جهاز التوجيه مثل HSRP وVRRP. بالإضافة إلى ذلك، توفر البروتوكولات الخاصة بالصناعة مثل PRP وHSR وDLR حلول تكرارية متخصصة لتلبية المتطلبات الفريدة لأنظمة الأتمتة والتحكم الصناعية.

ومن خلال تنفيذ تقنيات التكرار هذه، يمكن للشبكات الصناعية تحقيق التوفر العالي والتجاوز السريع للفشل والمرونة في البيئات الصعبة.