Cơ bản về truyền thông Ethernet công nghiệp dành cho kỹ sư tự động hóa
Giao thức Ethernet công nghiệp đã phát triển nhanh chóng và sẽ thay thế hầu hết các giao thức công nghiệp truyền thống khác. Các nhà máy sản xuất công nghiệp cũng đang hiểu được lợi ích của Ethernet công nghiệp trong việc cải thiện hiệu quả sản xuất, đơn giản hóa quản lý và hợp nhất thông tin giữa sản xuất và quản lý. Tuy nhiên, Ethernet trong công nghiệp có một số điểm khác biệt so với Ethernet dân dụng và văn phòng. Kỹ sư tự động hóa cần được trang bị kiến thức cơ bản và hiểu biết về Ethernet công nghiệp để có thể triển khai thành công. Đó là cáp, chất lượng tín hiệu, chuyển mạch, vòng lặp nối đất và lưu lượng.
1. Cáp Ethernet
Giống như các giao thức mạng công nghiệp khác, cáp Ethernet đóng vai trò quan trọng trong chất lượng tín hiệu và truyền dẫn. Khác với môi trường văn phòng hay 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 và hóa chất. Do đó, việc lựa chọn cáp đóng vai trò quan trọng trong việc triển khai và vận hành hệ thống mạng.
Vậy loại cáp nào phù hợp? Đối với môi trường văn phòng, bạn có thể sử dụng cáp CAT5e có tốc độ truyền tải 100MB. Đối với môi trường công nghiệp, tiêu chuẩn ANSI/TIA-1005 khuyến nghị sử dụng cáp CAT6 trở lên. Cáp CAT6 cho phép tốc độ truyền tải lên đến 1GB ở khoảng cách 100m và 10GB ở khoảng cách 55m.
So với cáp CAT5 và CAT5e, cáp CAT6 ít bị ảnh hưởng bởi điện từ và âm thanh hơn. Ngoài ra, cáp CAT6 cũng được sản xuất vật lý để phù hợp hơn với môi trường công nghiệp. Tuy nhiên, khi lắp đặt cáp CAT6, cần lưu ý rằng các đầu nối RJ45, giắc cắm cũng phải đạt tiêu chuẩn CAT6.
| Cable | Type | Bandwidth | Remark |
| Cat 3 | UTP | 16 MHz | Ethernet 10BASE-T and 100BASE-T4 |
| Cat 4 | UTP | 20 MHz | Token Ring 16Mbit/s |
| Cat 5 | UTP | 100 MHz | Ethernet 100BASE-TX & 1000BASE-T |
| Cat 5e | UTP | 100 MHz | Ethernet 100BASE-TX & 1000BASE-T |
| Cat 6 | STP | 250 MHz | Ethernet 10GBASE-T |
| Cat 6a | STP | 500 MHz | Ethernet 10GBASE-T |
| Cat 7 | STP | 600 MHz | Ethernet 10GBASE-T or POTS/CATV/1000BASE-T single |
| Cat 7a | STP | 1000 MHz | Ethernet 10GBASE-T or POTS/CATV/1000BASE-T single |
| Cat 8/8.1 | STP | 1600-2000 MHz | Ethernet 40GBASE-T or POTS/CATV/1000BASE-T single |
| Cat 8.2 | STP | 1600-2000 MHz | Ethernet 40GBASE-T or POTS/CATV/1000BASE-T single |
2. Switch
Switch là thiết bị mạng quan trọng trong hệ thống mạng Ethernet, dùng để kết nối các thiết bị đầu cuối trong mạng.
Trong mạng Ethernet công nghiệp, có 3 phương thức truyền thông: Unicast, Multicast và Broadcast.
Unicast là phương thức truyền thông điểm-điểm, các gói tin chỉ được gửi giữa 2 thiết bị.
Multicast là phương thức truyền thông giữa một thiết bị và một nhóm thiết bị trong mạng.
Broadcast là phương thức truyền thông giữa một thiết bị trong mạng và tất cả các thiết bị khác trong cùng một 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, gây tải cho hệ thống mạng. Do đó, cần giới hạn mức Broadcast và Multicast trong mạng ở mức dưới 100 Broadcast/giây cho một mạng 100MB.
Switch được chia thành 2 loại: Managed Switch và Unmanaged Switch. Theo nguyên lý hoạt động, sau khi Switch đã xây dựng được bảng địa chỉ MAC thì việc xử lý các gói tin Unicast và Broadcast của Managed Switch và Unmanaged Switch là như nhau. Một trong những điểm khác biệt giữa hai loại switch này là cách xử lý các gói tin multicast trong mạng.
Phương pháp truyền thông multicast được sử dụng rất nhiều ở lớp điều khiển trong các thiết bị thông minh như PAC, Flowmeter thế hệ mới, bộ biến tần, v.v., các thiết bị sử dụng công nghệ Producer/Consumer để chia sẻ dữ liệu (PAC). Vấn đề chính với Multicast ở đây là lưu lượng sẽ tăng trong mạng theo tỷ lệ với số lượng thiết bị trong mạng, gây quá tải cho mạng.
Managed Switch có một tính năng quan trọng là IGMP (Internet Group Management Protocol) Snooping. Khi bật IGMP Snooping, Switch sẽ xác định các thiết bị thuộc nhóm Multicast. Sử dụng thông tin này, kết hợp với bảng địa chỉ MAC, switch sẽ chỉ chuyển tiếp các gói tin Multicast đến các nhóm cổng tương ứng với nhóm Multicast thay vì chuyển đổi chúng thành các 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. Vì vậy, khi gói Multicast đến Unmanaged Switch, nó sẽ coi gói đó là Broadcast và gửi đến tất cả các cổng của Switch. Do đó, nếu mạng sử dụng công nghệ Producer/Consumer hoặc có phương thức giao tiếp Multicast, thì cần phải sử dụng Managed Switch.
Trong nhiều trường hợp, Unmanaged Switch vẫn có thể được sử dụng cho các cấu hình mạng không phải Multicast hoặc các mạng nhỏ, độc lập và đơn giản. Hoặc chúng ta có thể kết hợp cả hai loại switch trong cùng một mạng. Theo đó, một nhóm thiết bị đầu cuối sẽ kết nối với Unmanaged Switch. Các Unmanaged Switch này sau đó sẽ kết nối với một hoặc nhiều Managed Switch.
Nhìn chung, đối 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 các hoạt động, bảo trì và khắc phục sự cố trong tương lai.
3. Công cụ hỗ trợ vận hành và bảo trì
Sau khi hệ thống mạng đã được cài đặt và đưa vào hoạt động, công việc tiếp theo là kiểm soát, vận hành và bảo trì hệ thống mạng. Có rất nhiều phần mềm hỗ trợ quản trị viên mạng và kỹ sư bảo trì mạng ở nhiều cấp độ khác nhau. Ở cấp độ thấp, có thể sử dụng phần mềm WireShark (hay còn gọi là Ethereal), một phần mềm mã nguồn mở phổ biến để kiểm tra mạng. Phần mềm này cho phép xem chi tiết các gói tin đi và đến trong mạng, từ đó người dùng có thể dễ dàng xác định lưu lượng Multicast, Broadcast trong mạng.
Ngoài ra, còn có nhiều công cụ từ các công ty như HP Network Management, SolarWinds, Cisco Network Assistant, v.v., có thể hỗ trợ hiệu quả cho việc vận hành và bảo trì mạng.
Bài viết bởi: Thành Đào
