מהן טופולוגיות טבעת קנייניות ברשתות אוטומציה?

טופולוגיית רשת בהקשר של אוטומציה תעשייתית ו- IoT מתייחסת בעיקר לסידור של חיבורי תקשורת מחווטים בין צמתים והתקנים (כגון חיישנים, מפעילים, מנועים חכמים, דוחפים ובקרים) כמו גם מתגים, רכזות ושערים. טופולוגיית הרשת המשמשת עבור מכונה או התקנת מפעל גדולה יותר קובעת את:

• יציבות ומהירות תקשורת המערכת
• כמות היתירות וזמן התאוששות שיש לרשת התעשייתית
• יכולת שחזור החיבור שהיא כה חשובה (לאחר תקלה של קישור כלשהו ברשת)

מאמר זה מסביר כמה טופולוגיות רשת, כולל טופולוגיות טבעת שונות כמו גם כמה טופולוגיות קנייניות והיכן הן משמשות.

איור 1‏: כאן מוצגות המשפחות העיקריות של טופולוגיות רשתות תעשייתיות. (מקור התמונה: Design World)

עוד על סוגי טופולוגיה של רשת תעשייתית

הטופולוגיה של רשת אוטומציה תעשייתית היא הדרך בה רכיבי רשת המסווגים כקישורים (חיבורי כבלים במערכות חוטיות) וצמתים מסודרים אחד ביחס לשני. צמתים הם התקנים שעשויים לשמש כנקודות פילוג-מחדש או כנקודות קצה של התקשורת. לעומת זאת, קישורים הם האמצעים שאיתם הצמתים מתחברים - בין אם חוטיים או אלחוטיים. קישורים יכולים להיות:

• סימפלקס - מאפשר רק תקשורת חד-כיוונית
• דופלקס - מאפשר תקשורת בו-זמנית לשני הכיוונים
• חצי דופלקס - מאפשר תקשורת לשני הכיוונים ... אבל רק דרך אחת בכל פעם

הטופולוגיה של רשת היא הדרך בה מחברים את הצמתים באמצעות הקישורים. קיימים הרבה מאד סידורים.

טופולוגיית רשת אפיק: לרשתות עם טופולוגיית אפיק יש "מסלול" עיקרי של כבל (הנקרא האפיק) אליו כל צומת מתחבר, או "נופל (Drop)" כפי שהוא מכונה בהתייחסויות רבות בתעשייה, באופן בלתי-תלוי.

טופולוגיית רשת כוכב: רשתות עם טופולוגיית כוכב מרוכזות סביב צומת אחד בצורת רכזת. ואז הצמתים האחרים מתחברים לרכזת באמצעות הקישורים שלהם. לטופולוגיית כוכב יש גם כמה יתרונות עבור חיסכון בהספק מכיוון שהתקנים בודדים המשדרים רק לסירוגין ניתנים לכיבוי כשרק הרכזת דורשת הספקת-כוח רצופה.

טופולוגיית רשת Mesh‏: רשתות עם טופולוגיה מחוברת במלואה מחברות כל צומת לכל צומת אחר. באותה מידה, רשתות עם טופולוגיית Mesh (כמו סידורים מחוברים במלואם) מבוססות על חיבורים מבוזרים ... אך אינן דורשות שכל זוג של צמתים יהיה מחובר. מערכים בהם לא כל צומת מחובר לכל אחד אחר נקראות לפעמים רשתות Mesh מחוברות-חלקית.

רשתות אלחוטיות משתמשות לרוב בטופולוגיית Mesh, מכיוון שהן חסונות ומאובטחות - ומפחיתות את צריכת ההספק ... מאפיין שימושי עבור רשתות עם צמתים מוזני-סוללות. רשתות Mesh‏ יכולות גם לשפר את טווח הרשת עבור כמות חיווט נתונה מכיוון שקישורים בודדים יכולים להיות קצרים יותר מאשר הרשת כולה. זה מועיל לרשתות IoT גדולות עם חיישנים רבים בהספק נמוך. ואולי החשוב ביותר, רשתות עם טופולוגיית Mesh‏ מציעות את הגמישות והיתירות הגבוהות ביותר בכל אפשרות - במיוחד אם היא מחוברת במלואה. אזהרה אחת היא שהתאוששות מתקלת קישור יכולה להיות איטית מכיוון שהמערכת חייבת למצוא נתיב חדש דרך הרשת - דבר שעלול לחייב הגדרת-תצורה-מחדש של נקודות-החיבור סביב הקישור המנותק. עבור רשתות חוטיות, הכבלים ונקודות-החיבור הנוספים מייקרים את טופולוגיית Mesh‏.

טופולוגיית רשת טבעת: רשתות עם טופולוגיית טבעת מקשרות כל צומת לשני צמתים סמוכים ברצף היוצר טבעת. זה מוכר גם כטבעת יתירה מכיוון שניתן להשבית קישור אחד עד שהוא נחוץ.

צלילה עמוקה יותר לטופולוגיית טבעת עבור אוטומציה תעשייתית

לרשתות עם טופולוגיית טבעת יש קצבי העברת נתונים טובים והן מתאוששות מהר למדי מתקלות קישורים. גם עלויות הכבלים נמוכות יחסית. אין פלא שטופולוגיות טבעת הן בדרך כלל הבחירה המובילה עבור רשתות אוטומציה תעשייתית חוטיות. כאשר קישור יתיר אחד מושבת, הטבעת הופכת למעשה לקו ... המספק תקשורת מהירה ויעילה. במהלך תקלה בקישור, אין צורך בניתוב-מחדש מורכב. במקום זאת, קישור יתיר פשוט מופעל - וכל שאר הקישורים ממשיכים להשתמש בנתיבי נקודת-החיבור המוגדרים כברירת-המחדל של המערכת.

נבחן פרמוטציות נפוצות של טופולוגיית טבעת בפרוטוקול בקרת השידור (TCP) פרוטוקול דאטהגרם משתמש (UDP). באמצעות פרוטוקולי ה- IP‏ TCP ו- UDP, חיבורי אינטרנט אפשריים מכיוון שלכל התקן יש כתובת IP. כתובות IP אלו מאפשרות למערכת לנתב מנות (Packets‏) נתונים מכתובת אחת לאחרת. מנות מכילות את הנתונים בפועל ביחד עם מידע נוסף בכותרת הכולל את כתובת ה- IP של היעד.

TCP (המכונה לעתים TCP/IP) מבקר את האופן שבו מנות נתונים מורכבות-מחדש ביעד שלהם. דרישה הכרחית כדי שזה יעבוד הוא קיום תקשורת הן מהשולח והן מהמקבל. השולח כולל מספרי רצף בכותרת, ועל הנמען להחזיר הודעה המאשרת את קבלת המנות. אם מנות אינן מאושרות, הן נשלחות מחדש. ההתקנים בודקים גם אם יש שגיאות במנות באמצעות סיכומי בדיקה בכל כותרת של מנה. תהליך TCP זה מבטיח חילופי נתונים אמינים על חשבון תהליכי תקשורת איטיים יחסית של הלוך-ושוב. לעומת זאת, UDP (פרוטוקול ה- IP החדש יותר) מאפשר העברת נתונים פשוטה ומהירה יותר בין כתובות IP. ההתקנים המקבלים אינם נדרשים לאשר קבלת מנות, כך שהמהירות גבוהה יותר על חשבון אמינות ירודה מעט.

אתגרי יתירות ופתרונות משלימים

פרוטוקולי ניהול רשת במערכות מבוססות-Ethernet‏ משלימים מאפייני יתירות כדי להבטיח נתונים יעילים תוך הימנעות מחוגי גשר בעייתיים ומקרינה משודרת שהם משרים. ביסודו של דבר, חוגי גשר או מיתוג הם שידורי נתונים חוזרים-ונשנים ללא צורך ובעייתיים. אלה עוברים דרך חיבורים כפולים בין התקנים - המתרחשים כאשר לרשת יש מסלולים רבים בין שני צמתים מתקשרים ברשת.

איור 2‏: באוטומציה תעשייתית, טופולוגיות טבעת הן מהירות ומספקות התאוששות מהירה מתקלת קישור. (מקור התמונה: Design World)

חוגי גשר יכולים לגרום לשידור חוזר-ונשנה של נתונים, אשר בתורו גורם לעומס-יתר על הרשת ולהאטות דרסטיות ברשת. סביר להניח שהבעיה תתעורר במערכות עם יתירות רבה.

אגרגציית קישורים משתמשת בכבלי Ethernet ונקודות-חיבור מקבילים כדי להגדיל את רוחב-הפס ולהאיץ התאוששויות. המשמעות היא שכאשר קישור הוא בתקלה, החיבור לא אבד ... אך נתונים מסוימים עלולים ללכת לאיבוד - ורוחב-הפס מצטמצם. תקלות בכבלים נגרמות בדרך כלל בגלל נזק מכני כלשהו, יש לנתב את הכבלים המקבילים בדרכים שונות, תוך הגדלה משמעותית של עלות ההתקנה. גישה פשוטה זו מתוקננת כפרוטוקול בקרת אגרגציית קישורים (IEE 802.1ad‏).

הוא מאפשר לשמור על היתרונות של יתירות תוך מניעת חוגי גשר. כאן, הפיתרון הוא טופולוגיות עם חוגים פיזיים מקבילים המשלימים את היכולת להשבית באופן סלקטיבי קישורים באמצעות פרוטוקול ניהול הרשת. ואז אם קישור פעיל הוא בתקלה, הטופולוגיה הלוגית מתרחבת וכוללת את אחד מהקישורים היתירים - ומנתבת מחדש סביב הקישור שבתקלה. פרוטוקול עץ מתפרש (STP), פרוטוקול עץ מתפרש מהיר (RSTP‏) ומגוון פרוטוקולי טבעת קנייניים מספקים פונקציה זו לניהול רשת. שימו לב שעץ מתפרש הוא שם אחר לטופולוגיה הלוגית נטולת-חוג שנוצרה בפרוטוקולים אלה; קישורים שאינם חלק מהעץ המתפרש מושבתים.

ה- STP ו- RSTP עובדים עם טופולוגיות הן Mesh‏ והן טבעת ומספקים זמני התאוששות מהירים עבור רוב היישומים. עם זאת, יישומי האוטומציה התעשייתית התובעניים ביותר דורשים פעמים רבות התאוששות מהירה במיוחד שהם אפשריים רק עם פרוטוקולי טבעות קנייניים.

דגימת פרוטוקולי טבעת קנייניים

כפי שהשם מרמז, פרוטוקולי טבעת קנייניים הם ספציפיים ליצרני חומרת רשת. לדוגמה, מתגים מסוימים מבית Red Lion‏ ו- N-Tron‏ משתמשים בפרוטוקול הטבעת הקנייני N-Ring‏. פרוטוקולים קנייניים אלה מבקרים את חוגי הרשת ומטפלים בתקלות בקישורים, ומספקים אלטרנטיבה ל- STP או RSTP.

כפי שפורט קודם, טופולוגיות טבעת משמשות בעיקר עבור רשתות אוטומציה תעשייתית חוטיות עקב השיהוי (Latency) הנמוך ויכולתן לספק אמינות עליונה - כמו גם קצבי העברת הנתונים והתאוששות מתקלות קישורים המהירים ביותר הקיימים. יתירות היא המפתח להתאוששות מתקלות בקישורים. המילכוד כאן הוא שהיתירות עלולה לגרום לבעיות בנתונים החוזרים-ונשנים הבעייתיים של חוגים. מניעת בעיה זו מחייבת פרוטוקולי רשת המסוגלים למנוע חוגים והתאוששות מהירה מתקלות בקישורים - במיוחד עבור פעולות אוטומציה תעשייתיות לא-סלחניות להשבתה. פרוטוקולי טבעת קנייניים הם לרוב הבחירות המתאימות ביותר עבור יישומים כאלה הזקוקים לשמירת זמני התאוששות מתקלות מהירים.

נבחן כמה מפרוטוקולי הטבעת הקנייניים הנפוצים ביותר.

טבעת HiPER‏ הושקה כפרוטוקול טבעת קנייני בשנת 1999 על ידי Hirschmann ו- Siemens. כעת זהו תקן ב- IEC 62439‏ ויש לו את השם הגנרי פרוטוקול יתירות תווך (MRP‏). הוא יכול לתמוך בעד 200 צמתים. למרות שלגרסה הסטנדרטית יש זמן התאוששות של msec‏ 500, טבעת HiPER מהירה טוענת להתאוששות תחרותית הרבה יותר של msec‏ 60‏.

ה- Resilient Ethernet Protocol‏ (REP‏) הוא פרוטוקול קנייני של חברת Cisco‏ שבו משתמשות גם החברות Rockwell Automation‏ ו- Westermo‏. ה- REP מספק התנהגות רשת מהירה וצפויה וטוען לזמני התאוששות של עד msec‏ 20‏. מגבלות מסוימות הן שה- REP אינו הכנס-והפעל ואינו מונע חוגים באופן אוטומטי. במקום זאת, ה- REP חייב להיות מוגדר כראוי כדי לספק פונקציות אלה. ה- REP עובד על ידי יצירת אוספים של נקודות-חיבור משורשרות יחדיו - ברצפים הנקראים סגמנטי רשת.

ה- X-ring‏ היא טכנולוגיית הטבעת הקניינית מבית Advantech, עם זמן ההתאוששות שהוא אולי המהיר ביותר של msec‏ 10‏. האזהרה כאן היא שה- X-ring‏ מוגבל לרשתות קטנות יחסית עם 20 צמתים או פחות.

לפרוטוקול N-Ring הקנייני מבית Red Lion שהוזכר קודם לכן יש התאוששות של msec‏ 30 ויכולת תמיכה ברשתות גדולות - עם עד 250 צמתים אפשריים.

יש סיבה לתחום הרחב למדי של המהירויות המפורטות לעיל. למרות שלפרוטוקולי רשת TCP ו- UDP יש מהירויות שונות במקצת, לטופולוגיה ולניהול של רשת תעשייתית יש השפעה משמעותית הרבה יותר על מהירות הרשת. לדוגמה, לרשתות טבעת-יתירות STP יש מהירויות התאוששות של 30 עד 90 שניות ב- TCP ו- 10 עד 50 שניות ב- UDP‏; ה- RSTP מקטין ערכים אלה בין שנייה לשלוש שניות. זמני ההתאוששות של רשתות Mesh‏ הם ארוכים עוד יותר. לעומת זאת, רשתות טבעת מסוימות יכולות להתאושש מתקלות בקישורים בתוך 0.3 שניות בלבד ב- TCP ... או 0.2 שניות ב- UDP. למעשה, יצרנים נבחרים טוענים לזמני התאוששות טובים בהרבה עבור רשתות הטבעת הקנייניות שלהם ... לפעמים בתוך msec‏ 10‏.

סיכום של טופולוגיות טבעת באוטומציה תעשייתית

טופולוגיות טבעת נפוצות ברשתות אוטומציה תעשייתית חוטיות. השיהוי (Latency) הנמוך והאמינות הגבוהה ביותר שלהם, המושלמים לעיתים קרובות בשיטות קנייניות למניעת חוגים וטיפול בתקלות בקישורים, טובים יותר מאשר ב- STP או RSTP מסורתיים.