Switch công nghiệp là gì? Tổng quan về Industrial Ethernet Switch

Switch công nghiệp là gì?

Switch công nghiệp (Industrial Switch) cũng chính là Switch mạng công nghiệp (Industrial Ethernet Switch) hay có thể gọi là thiết bị chuyển mạch công nghiệp (bộ chia mạng). Về cơ bản không có sự khác biệt giữa lớp mạng dữ liệu với lớp mạng và lớp giao thức của switch công nghiệp và switch thường. Tuy nhiên, đối với các yêu cầu về thời gian thực trong điều khiển công nghiệp, Switch công nghiệp giải quyết được giao tiếp theo thời gian thực.

Ngoài ra, switch công nghiệp được sản xuất chuyên dụng để bảo mật mạng, đảm bảo tính an toàn, ổn định trong điều kiện khắc nghiệt, chống cháy nổ và một loạt các tiêu chuẩn khác mà switch thường không thể đáp ứng. Nếu chỉ so sánh về sự cơ bản cốt lõi thì switch công nghiệp không khác với switch thường, cũng giống như so sánh sự khác biệt giữa PC và IPC vậy.

Switch công nghiệp có sự linh hoạt về số cổng kết nối (cổng RJ45 và cổng SFP), cũng như hình thức quản lý (Unmanaged, Layer 2+/Layer 2 managed, L3 managed). Tốc độ truyền dữ liệu của switch công nghiệp thường là 10/100M hoặc 10/100/1000M.

Phân loại switch công nghiệp

Switch công nghiệp được phân thành 2 loại chính: switch công nghiệp không được quản lý (Unmanaged Industrial Ethernet Switch) và switch công nghiệp được quản lý (Managed Industrial Ethernet Switch).

1. Switch công nghiệp không được quản lý

Switch không được quản lý là Switch không được cấu hình. Vì vậy, trong quá trình sử dụng người dùng không cần phải lo lắng về việc cài đặt hoặc thiết lập Switch làm sao cho chính xác. Nghĩa là khi mua về bạn chỉ cần mắc chúng vào là đã có thể hoạt động bình thường.

2. Switch công nghiệp được quản lý

Switch được quản lý là Switch trước khi hoạt động cần phải được cấu hình. Mục đích là để cung cấp bảo mật cao hơn, linh hoạt và hoạt động tốt hơn so với Switch không được quản lý.

Trước khi muốn sử dụng Switch bạn cần phải cấu hình. Những thông số được cài đặt sẵn sẽ được tùy chỉnh để phù hợp với hệ thống mạng mà bạn đang sử dụng. Như vậy sẽ giúp bảo vệ mạng tốt hơn. Đồng thời cải thiện được chất lượng truy cập mạng cho người sử dụng.

Cấu trúc mạng của switch

Các bộ chuyển mạch switch công nghiệp được thiết kế đặc biệt để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng công nghiệp linh hoạt, cung cấp giải pháp truyền thông Ethernet công nghiệp hiệu quả về chi phí. Phương pháp mạng tập trung nhiều hơn vào thiết kế vòng lặp. Có sự khác biệt một vòng và nhiều vòng trong vòng lặp. Ngoài ra còn có các giao thức vòng lặp riêng được thiết kế bởi các nhà cung cấp khác nhau dựa trên STP và RSTP, chẳng hạn như RingOn, vòng mở RingOpen, vòng FRP và vòng turbo.

Sự phát triển của các bub đã dẫn đến một thiết bị được gọi là một bộ chuyển mạch không được quản lý. Nó cho phép định tuyến thông điệp từ cổng này sang cổng khác, khiến chúng thông minh hơn các hub. Switch không được quản lý sẽ tự động phát hiện tốc độ mạng của từng thiết bị mạng. Ngoài ra, nó còn có một chức năng gọi là bảng địa chỉ MAC để xác định và ghi nhớ các thiết bị trên mạng. Nói cách khác, nếu cổng 2 nhận được một dữ liệu có mã nhận dạng cụ thể, thì bộ chuyển mạch sẽ gửi tất cả các thông điệp có mã nhận dạng cụ thể đó đến cổng 2. Trí thông minh này giúp tránh va chạm các thông điệp và cải thiện hiệu suất truyền, một cải tiến lớn so với các hub. Tuy nhiên, các thiết bị chuyển mạch không được quản lý không thể thực hiện bất kỳ hình thức phát hiện và cấu hình dự phòng truyền thông nào.

Thế hệ tiếp theo là bộ chuyển mạch được quản lý. Các switch được quản lý có nhiều chức năng phức tạp hơn so với các hub và các thiết bị chuyển mạch không được quản lý, và đắt hơn nhiều so với một switch không được quản lý. Các bộ chuyển mạch được quản lý cung cấp nhiều chức năng hơn và thường được cấu hình đầy đủ thông qua giao diện thiết lập. Nó có thể tự động tương tác với các thiết bị mạng và người dùng có thể tự cấu hình tốc độ mạng và kiểm soát luồng cho mỗi cổng. Một số thiết bị cũ có thể không sử dụng được tính năng tương tác tự động, do đó cần cấu hình thủ công.

Hầu hết các thiết bị chuyển mạch được quản lý cũng thường cung cấp các tính năng nâng cao như SNMP để giám sát và cấu hình từ xa, ánh xạ cổng để chẩn đoán, Vlan cho nhóm thiết bị mạng (mạng cục bộ ảo), chức năng xếp hạng ưu tiên,.. Với một switch được quản lý, bạn có thể thiết lập một mạng dự phòng. Với cấu trúc liên kết vòng, các switch được quản lý có thể tạo thành một mạng vòng. Mỗi switch được quản lý có thể tự động xác định đường truyền tối ưu và đường dẫn thay thế và tự động chặn đường dẫn thay thế khi đường dẫn ưu tiên bị gián đoạn.

3 Hình thức quản lý switch công nghiệp quản lý

Các bộ chuyển mạch được quản lý có thể được quản lý theo nhiều cách: thông qua quản lý cổng nối tiếp RS-232 (hoặc cổng song song), thông qua quản lý trình duyệt web và thông qua quản lý phần mềm quản lý mạng.

Quản lý qua cổng serial

Switch công nghiệp managed đi kèm với serial cáp để quản lý chuyển mạch. Đầu tiên cắm một đầu của cáp serial vào cổng serial ở mặt sau của switch và đầu còn lại được cắm vào cổng serial của máy tính thông thường. Sau đó bật nguồn cho switch và máy tính. Rồi mở chương trình cài đặt. Sau khi thiết lập các tham số kết nối, bạn có thể tương tác với switch thông qua cáp nối tiếp và phương thức này không chiếm băng thông của switch. Đây còn được gọi là hình thức quản lý ngoài băng tần.

Quản lý qua giao diện web

Switch công nghiệp managed có thể được quản lý thông qua Web (trình duyệt web), nhưng nó phải được chỉ định một địa chỉ IP. Địa chỉ IP này không có cách sử dụng nào khác ngoài thiết lập trên quyền quản lý. Theo mặc định, switch không có địa chỉ IP. Bạn phải kích hoạt địa chỉ IP thông qua cổng nối tiếp hoặc các phương tiện khác để bật chế độ quản lý này.

Khi sử dụng trình duyệt web để quản lý, switch tương đương với máy chủ web, nhưng trang web không được lưu trữ trong ổ đĩa máy chủ mà lưu trong NVRAM của switch, chương trình web trong NVRAM có thể được nâng cấp. Khi quản trị viên nhập địa chỉ IP của switch trong trình duyệt thì sẽ được chuyển đến trang web trên máy tính giống như một máy chủ. Tại thời điểm này, giống như bạn đang truy cập một trang web. Cách này chiếm băng thông của công tắc.

Nếu bạn muốn quản lý switch, chỉ cần nhấp vào mục chức năng tương ứng trong trang web và thay đổi các tham số của switch trong hộp thoại hoặc danh sách thả xuống. Quản lý web có thể được thực hiện trên mạng LAN, vì vậy có thể quản lý từ xa. Đây còn được gọi là hình thức quản lý trong băng tần.

Quản lý qua phần mềm

Tất cả các bộ chuyển mạch quản lý mạng đều tuân theo giao thức SNMP là một bộ các thông số kỹ thuật quản lý thiết bị mạng phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế. Bất kỳ thiết bị nào tuân thủ giao thức SNMP đều có thể được quản lý bởi phần mềm quản lý mạng. Bạn chỉ cần cài đặt một bộ phần mềm quản lý mạng SNMP trên máy trạm quản lý mạng, có thể dễ dàng quản lý các bộ chuyển mạch, bộ định tuyến, máy chủ, v.v. trên mạng thông qua mạng LAN. Đây cũng được gọi là hình thức quản lý trong băng tần.

Việc quản lý các thiết bị chuyển mạch được quản lý có thể được quản lý theo ba cách trên. Trong cài đặt lần đầu của switch, thường cần phải sử dụng hình thức quản lý ngoài băng tần. Sau khi đặt địa chỉ IP, bạn có thể sử dụng chế độ quản lý trong băng tần. Với quản lý trong băng tần, bởi vì dữ liệu quản lý được truyền qua mạng LAN được sử dụng công khai, có thể quản lý từ xa, nhưng bảo mật không mạnh. Quản lý ngoài băng tần được truyền thông qua cổng nối tiếp, dữ liệu chỉ được truyền giữa switch và máy quản lý, nên bảo mật rất mạnh; tuy nhiên, do giới hạn về độ dài cáp nối tiếp, việc quản lý từ xa khó có thể được thực hiện.

Sự khác biệt giữa switch công nghiệp và switch thường

Sự khác biệt giữa thiết bị chuyển mạch switch công nghiệp và thiết chuyển mạch thường chủ yếu thể hiện ở chức năng và hiệu suất. Chức năng: tương thích với các chuẩn truyền thông công nghiệp, kết nối với các bus trường khác nhau, có chế độ dự phòng, truyền dữ liệu theo thời gian thực,.. Hiệu suất: sự thích nghi với môi trường bên ngoài, có thể hoạt động tốt trong các môi trường khắc nghiệt, tương thích điện từ, nhiệt độ, độ ẩm, bụi,..

• Các thành phần cấu thành: switch công nghiệp đòi hỏi yêu cầu cao hơn trong việc lựa chọn các thành phần, linh kiện để sản xuất ra thiết bị nhằm đáp ứng các nhu cầu sử dụng.
• Môi trường hoạt động: switch công nghiệp có thể thích ứng tốt hơn với các môi trường khắc nghiệt như rung, sốc, ăn mòn, bụi bẩn và nước,..
• Khí hậu: switch công nghiệp có thể hoạt động trong các vùng có điều kiện khí hậu kém hơn (nhiệt độ và độ ẩm).
• Môi trường điện từ: switch công nghiệp có khả năng chống nhiễu điện từ rất mạnh mẽ.
• Điện áp hoạt động: các thiết bị chuyển mạch công nghiệp có dải điện áp hoạt động rộng hơn và thấp hơn.
• Thiết kế nguồn cấp: switch thường thì thường sử dụng nguồn cấp đơn, trong khi switch công nghiệp thì đa số sử dụng nguồn kép (có nguồn dự phòng).
• Lắp đặt: thiết bị chuyển mạch công nghiệp thường được lắp đặt trong ray hoặc DIN, còn các thiết bị chuyển mạch thường thì thường được lắp trên giá đỡ, treo hoặc để bàn.
• Làm mát: switch công nghiệp thường sử dụng vỏ bọc không quạt để tản nhiệt, trong khi các switch thường thì thường có bộ phận quạt làm mát.

Sự khác biệt giữa switch công nghiệp và switch mạng doanh nghiệp

• Lắp đặt: switch công nghiệp thường sử dụng lắp DIN-rail thay vì giá đỡ 19-in là tiêu chuẩn cho việc lắp đặt switch mạng IT cho doanh nghiệp.
• Tiêu chuẩn: bộ chuyển mạch mạng công nghiệp được thiết kế để tránh rung hoặc chấn động có thể làm rơi cáp và đáp ứng các tiêu chuẩn EMC (tương thích điện từ) công nghiệp. Trong khi đó, các thiết bị chuyển mạch dành cho doanh nghiệp có ít khả năng chống rung, sốc và dòng nhiễu điện có thể gây cháy linh kiện và các hư hỏng điện khác.
• Thành phần cấu tạo: các thành phần được sử dụng để cấu tạo thành các thiết bị chuyển mạch mạng công nghiệp đích thực được thiết kế và thử nghiệm để hoạt động trong phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng, ví dụ từ -40 đến + 75 ° C (-40 đến + 167 ° F). Switch mạng doanh nghiệp được chế tạo để hoạt động trong phạm vi nhiệt độ hẹp hơn nhiều. Ngoài các giới hạn này, các mạch tích hợp của chúng có thể bị hỏng khi nhiệt độ cao hoặc các kết nối mạng của chúng có thể mất liên lạc do lạnh.
• Môi trường hoạt động: thiết bị chuyển mạch mạng công nghiệp được chế tạo để hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt như sản xuất, vận tải, hàng hải, dầu khí và khai thác mỏ.
• Tuổi thọ: switch công nghiệp được thiết kế để có tính khả dụng cao trong thời gian dài vì chi phí thời gian ngừng hoạt động trong môi trường công nghiệp thường rất đáng kể. Các thiết bị chuyển mạch dành cho doanh nghiệp có thể có vòng đời chỉ từ 1,5 đến 3 năm; bộ chuyển mạch công nghiệp có thể hoạt động trong 10 năm hoặc hơn.
• Thiết lập cấu hình: thông thường, các thiết bị chuyển mạch mạng công nghiệp đã được cài đặt, cấu hình và được ưu tiên về tốc độ mạng và độ tin cậy. Trong các phiên bản cài đặt cũ hơn, chức năng quản lý mạng trong switch công nghiệp không được tích hợp, vì nó ảnh hưởng đến hiệu suất truyền thông cao (tốc độ cao, độ trễ thấp). Hiện tại, các phiên bản mới đã được tích hợp và sẽ có xu hướng phát triển mạnh mẽ hơn.
• Bảo mật: tính năng bảo mật cũng hầu như không được tích hợp trong các switch công nghiệp cũ vì trong các mạng công nghiệp thường được biệt lập, không ai có thể xâm nhập từ bên ngoài để hack chúng. Các thiết bị chuyển mạch dành cho doanh nghiệp thường được trang bị cho cả quản lý và an ninh mạng. Với các mạng công nghiệp đang sử dụng IIoT, chúng sẽ cần sự quản lý và bảo mật phù hợp. Hiện tại, các phiên bản mới đã được tích hợp và sẽ có xu hướng phát triển mạnh mẽ hơn.

Các thiết bị chuyển mạch công nghiệp cũ hơn sẽ dần được thay thế bằng các thiết bị mới. Mặc dù vì tất cả các lý do trên, các thiết bị chuyển mạch dành cho doanh nghiệp sẽ không được sử dụng trong môi trường công nghiệp. Việc quản lý và bảo mật sẽ cần được thực hiện theo cách khác, ví dụ, thông qua mạng công nghiệp thông minh và nâng cấp chuyên môn để nhằm đáp ứng các yêu cầu này.

Một giải pháp mạnh mẽ xuất hiện, tuy nhiên tác động xấu đến hiệu suất là sử dụng phần mềm quản lý mạng (SDN – software defined networking). Tức là, sử dụng các thiết bị chuyển mạch tương thích với SDN trong mạng nhằm thay thế các thiết bị cũ hơn, mạng được phần mềm quản lý có thể giúp dễ dàng cấu hình, điều khiển và giám sát các thiết bị chuyển mạch; bao gồm cả bảo mật cho phép hay chặn truy cập.

Các switch công nghiệp sẽ tiếp tục được phát triển và khác biệt với các switch mạng khác, tuy nhiên switch công nghiệp sẽ ngày càng được nâng cấp về kết nối mạng bên ngoài, quản lý mạng và an ninh mạng.

Trên đây, MC&TT đã chia sẻ cho các bạn những kiến thức tổng quan nhất về switch công nghiệp. Chúng tôi hy vọng rằng những thông tin cung cấp phía trên sẽ giúp ích cho bạn trong quá trình nghiên cứu, học tập hay làm việc. Xin cảm ơn!