Como os switches industriais suportam redundância?

Os switches industriais suportam redundância para garantir a confiabilidade da rede, tolerância a falhas e tempo de inatividade mínimo, que são essenciais em ambientes industriais, como os setores de manufatura, transporte, serviços públicos e energia. A redundância permite que uma rede continue funcionando mesmo quando um dispositivo ou link falha, melhorando assim o tempo de atividade geral do sistema. As redes industriais geralmente operam em ambientes adversos, portanto a redundância é essencial para manter operações contínuas. Aqui está uma descrição detalhada de como os switches industriais suportam a redundância:

1. Topologias redundantes

O layout físico e lógico das conexões de rede desempenha um papel crucial na redundância. Os switches industriais suportam uma variedade de topologias de rede projetadas para fornecer caminhos de dados alternativos em caso de falha.

Topologias Redundantes Comuns:

Topologia de anel: Uma das topologias mais utilizadas em redes industriais para redundância.

--- Em uma topologia em anel, os switches são conectados de forma circular. Se um link for quebrado, os dados poderão fluir na direção oposta, evitando o tempo de inatividade da rede.

--- Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) ou Ethernet Ring Protection Switching (ERPS) garantem recuperação rápida em caso de falha no link.

Topologia de malha: Em uma topologia mesh, cada switch está conectado a vários outros switches, criando vários caminhos redundantes para dados.

--- Esta topologia oferece um alto nível de redundância porque existem vários caminhos entre dois switches quaisquer, reduzindo a probabilidade de uma interrupção da rede se um link ou switch falhar.

Homing duplo: Nesta topologia, os switches têm múltiplas conexões com dois switches (ou roteadores) diferentes, fornecendo caminhos alternativos no caso de falha de um switch.

Topologia em estrela com núcleo redundante: O switch principal (ou switches) no centro da topologia em estrela possui links redundantes para os switches de borda, portanto, se o switch principal ou um link falhar, o tráfego será redirecionado para o núcleo de backup ou outro link.

Exemplo:

--- Em uma fábrica, se uma máquina na linha de produção se comunicar com um centro de controle através de uma rede industrial, uma topologia em anel pode garantir que, se um cabo for danificado ou desconectado, o switch redirecionará os dados através de um caminho alternativo no anel.

2. Protocolo Spanning Tree (STP) e variantes

Spanning Tree Protocol (STP) é um protocolo de rede usado para evitar loops em redes Ethernet, que são comuns em topologias redundantes. Sem STP, conexões redundantes poderiam causar tempestades de transmissão, resultando em falhas na rede.

Variantes de STP para redundância mais rápida:

--- STP (Spanning Tree Protocol): STP cria uma topologia lógica sem loop, bloqueando links redundantes. Se um link primário falhar, o STP desbloqueará automaticamente um link de backup para restaurar a conectividade.

--- RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol): Uma versão aprimorada do STP, o RSTP fornece convergência mais rápida (normalmente em alguns segundos) do que o STP, tornando-o adequado para ambientes industriais onde o failover rápido é crucial para evitar tempo de inatividade da produção.

--- MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol): O MSTP permite que múltiplas árvores de abrangência sejam executadas na mesma topologia física, proporcionando melhor balanceamento de carga de tráfego e redundância. É mais eficiente que STP e RSTP em redes maiores com múltiplas VLANs.

3. Comutação de proteção de anel Ethernet (ERPS)

Ethernet Ring Protection Switching (ERPS) é um protocolo especializado projetado para topologias em anel, oferecendo tempos de recuperação ainda mais rápidos que o RSTP. O ERPS pode restaurar a conectividade da rede em menos de 50 milissegundos em caso de falha de link ou switch, tornando-o ideal para ambientes industriais onde a recuperação rápida é crítica.

Como funciona o ERPS:

--- O ERPS forma uma topologia de anel único com todos os switches conectados em um padrão circular.

--- Um switch é designado como proprietário do Ring Protection Link (RPL) e um link no anel é bloqueado para evitar loops.

--- Se ocorrer uma falha em qualquer link do anel, o ERPS desbloqueará rapidamente o link de backup, restaurando a conectividade total quase instantaneamente.

4. Agregação de links (LAG)

Link Aggregation (também conhecido como EtherChannel ou port trunking) é um método usado para combinar vários links físicos em um link lógico entre dois switches. Isso fornece redundância no nível do link, espalhando o tráfego por vários links.

Benefícios da agregação de links:

--- Maior largura de banda: Ao agrupar vários links, o LAG aumenta a largura de banda geral entre dois switches, reduzindo o congestionamento.

--- Proteção contra failover: Se um link no grupo de agregação falhar, os outros links continuarão a operar, garantindo um fluxo de dados ininterrupto.

Exemplo:

--- Se um switch industrial estiver conectado a outro switch através de três links físicos (usando LAG), a falha de um link não interromperá a comunicação, pois os dois links restantes continuarão a transportar tráfego.

5. HSRP/VRRP (protocolos de redundância de roteador)

Para switches industriais de Camada 3 (que executam funções de comutação e roteamento), o Hot Standby Router Protocol (HSRP) e o Virtual Router Redundancy Protocol (VRRP) fornecem redundância em nível de roteador.

Como funciona o HSRP/VRRP:

--- HSRP (Hot Standby Router Protocol): Um protocolo proprietário da Cisco que permite que vários switches (ou roteadores) da Camada 3 funcionem como um único roteador virtual. Um switch é o switch ativo, enquanto outro está em espera. Se o switch ativo falhar, o switch standby assume a função de roteamento sem problemas.

--- VRRP (Virtual Router Redundancy Protocol): Um protocolo de padrão aberto semelhante ao HSRP. Ele também permite que vários switches compartilhem um único endereço IP virtual, fornecendo redundância no nível de roteamento da Camada 3.

Caso de uso:

--- Em um ambiente industrial, se você tiver várias sub-redes e estiver roteando o tráfego entre elas usando switches de Camada 3, o HSRP ou o VRRP podem garantir que uma falha do switch de roteamento primário não interrompa a comunicação entre as sub-redes.

6. Fontes de alimentação redundantes

Muitos switches industriais são projetados com entradas duplas de energia para garantir redundância no nível de energia. Esse recurso ajuda a proteger contra falhas na fonte de alimentação, que são comuns em ambientes industriais severos devido a picos de energia, flutuações ou mau funcionamento do equipamento.

Recursos de energia redundantes:

--- Fontes de alimentação duplas: Os switches industriais podem ter duas entradas de energia independentes de fontes diferentes (CA/CC), portanto, se uma fonte de alimentação falhar, a outra assume o controle sem interromper a operação da rede.

--- Power Over Ethernet (PoE): Em switches PoE, a redundância pode ser aplicada ao fornecimento de energia a dispositivos críticos, como câmeras IP, sensores ou telefones VoIP, garantindo que, se uma fonte de energia falhar, os dispositivos continuem a receber energia através de outra. Switch ou fonte habilitado para PoE.

7. Protocolos Industriais para Redundância

Em ambientes industriais, os switches geralmente suportam protocolos industriais especializados projetados para redundância e alta disponibilidade.

Principais protocolos industriais:

--- PRP (Protocolo de Redundância Paralela): O PRP fornece recuperação com atraso zero em caso de falha de link ou nó, enviando quadros idênticos por duas redes independentes. Isto garante que a comunicação continue mesmo se uma rede falhar, tornando-a altamente confiável para aplicações industriais críticas.

--- HSR (High-Availability Seamless Redundancy): HSR é outro protocolo de redundância usado em automação industrial. Ele opera de forma semelhante ao PRP, enviando quadros de dados duplicados, mas dentro de uma topologia em anel.

--- DLR (Device-Level Ring): DLR é usado especificamente para topologias de anel em redes Ethernet industriais. Ele fornece recuperação rápida da rede (em menos de 3 ms) em caso de falha no link, tornando-o ideal para sistemas de controle em tempo real em automação industrial.

8. Redundância de VLAN e sub-rede

VLANs (redes locais virtuais) e segmentação de sub-redes também podem ser usadas para criar redundância no nível lógico.

Redundância de VLAN: Ao criar VLANs redundantes, você pode separar diferentes tipos de tráfego de rede (por exemplo, tráfego de controle, dados de sensores, vigilância por vídeo) em segmentos isolados. Em caso de falha em uma VLAN ou segmento, as outras VLANs permanecem inalteradas, garantindo a continuidade das operações críticas.

Redundância de sub-rede: O uso de sub-redes separadas para diferentes áreas funcionais da rede industrial ajuda a limitar o escopo das falhas. Os switches da camada 3 podem rotear o tráfego entre sub-redes redundantes, garantindo que falhas em uma sub-rede não afetem outras partes da rede.

9. Protocolos de rede de autocura

Além dos protocolos tradicionais como STP e ERPS, algumas redes industriais empregam protocolos de autocorreção que redirecionam automaticamente o tráfego quando uma falha é detectada. Esses protocolos são projetados para minimizar o tempo de inatividade e garantir comunicações em tempo real em aplicações de missão crítica.

Exemplo:

--- Profinet com MRP (Media Redundancy Protocol): MRP é um protocolo de autocorreção usado em redes industriais Profinet. Ele suporta recuperação rápida em topologias em anel, garantindo que a comunicação seja restaurada rapidamente após uma falha.

Conclusão

Os switches industriais suportam redundância através de uma combinação de topologias físicas redundantes, protocolos de failover e fontes de alimentação de backup. O objetivo da redundância é fornecer caminhos alternativos para transmissão de dados e garantir que as operações da rede continuem ininterruptas, mesmo no caso de falhas de hardware, interrupções de link ou problemas de energia.

Alguns dos mecanismos mais importantes para redundância em redes industriais incluem topologias em anel com ERPS, protocolos Spanning Tree como RSTP e MSTP, Link Aggregation e protocolos de redundância de roteador como HSRP e VRRP. Além disso, protocolos específicos da indústria, como PRP, HSR e DLR, fornecem soluções de redundância especializadas para atender às demandas exclusivas de automação industrial e sistemas de controle.

Ao implementar essas técnicas de redundância, as redes industriais podem alcançar alta disponibilidade, failover rápido e resiliência em ambientes desafiadores.