Giao thức vòng MRP (IEC 62439-2) – Giải pháp dự phòng mạng công nghiệp

Media Redundancy Protocol (MRP) là một giao thức tiêu chuẩn dùng trong topology dạng vòng (Ring), giúp tránh tình trạng điểm lỗi đơn (single point of failure) với thời gian khôi phục nhỏ hơn 10ms.

Trong mạng vòng, mỗi switch Ethernet được kết nối tối thiểu với hai switch khác để tạo thành một vòng khép kín. Nhờ cài đặt dễ dàng và hiệu năng cao, mạng vòng ngày càng phổ biến trong các nhà máy, dây chuyền sản xuất và môi trường Ethernet công nghiệp. Hai lợi ích lớn của topology này gồm:

  • Mỗi switch có một đường kết nối dự phòng vào mạng.

  • Tiết kiệm chi phí hạ tầng cáp so với việc sử dụng switch tập trung tại một điểm trung tâm.

Tuy nhiên, nếu một nút hoặc cổng bị lỗi, toàn bộ mạng có thể bị ảnh hưởng. Điều này có thể dẫn đến việc toàn bộ cơ sở sản xuất ngừng hoạt động nếu không có kế hoạch khôi phục phù hợp.

Vấn đề của vòng lặp switch và giao thức Spanning Tree

Nhược điểm của mạng vòng là có thể phát sinh vòng lặp switch (switch loop), dẫn đến bão quảng bá (broadcast storm). Khi đó, gói tin broadcast hoặc multicast bị nhân bản liên tục trên toàn bộ các cổng, chiếm toàn bộ băng thông và làm mạng tê liệt.

Do gói tin ở lớp 2 không có giá trị TTL (Time-to-Live), một frame trong topology lặp có thể chạy vòng mãi mãi. Hậu quả là mạng bị nghẽn hoàn toàn.

Một giải pháp truyền thống là ngắt vòng tại một điểm. Giao thức Spanning Tree (như RSTP) được phát triển để phát hiện vòng lặp và tự động cấu hình lại mạng bằng cách vô hiệu hóa một đường truyền. Nếu có sự cố, RSTP sẽ gửi thông báo thay đổi topology để tạo một đường truyền an toàn mới.

Nhưng nhược điểm là thời gian hội tụ của RSTP còn chậm (có thể mất vài giây), không đáp ứng được yêu cầu thời gian thực và độ tin cậy cao trong Ethernet công nghiệp.

Vì sao cần MRP (IEC 62439-2) trong mạng vòng?

MRP theo chuẩn IEC 62439-2 mang lại khả năng:

  • Khôi phục cực nhanh (<10ms).

  • Độ tin cậy và dự phòng cao.

  • Hỗ trợ cân bằng tải.

Cơ chế hoạt động:

  • Một switch trong vòng được chọn làm Ring Manager. Switch này sẽ chặn một trong hai cổng vòng của nó để phá vòng lặp (Hình 2).

  • Nếu một nút khác trong vòng phát hiện lỗi đường truyền, nó sẽ gửi thông báo cho Ring Manager. Lúc này, Ring Manager sẽ mở lại cổng bị chặn, khôi phục đường truyền (Hình 3).

  • Ring Manager liên tục gửi các gói tin polling đi vòng quanh. Nếu gói tin không quay lại, nó biết rằng có một switch hoặc hub bị lỗi, và lập tức mở cổng để khôi phục liên lạc.

Trong quá trình thay đổi topology, các switch trong vòng sẽ được thông báo xóa bảng MAC, để học lại địa chỉ MAC mới theo cổng kết nối, đảm bảo truyền dữ liệu chính xác.

MRP – Tiêu chuẩn vàng cho mạng dự phòng

Nhờ khả năng thông minh và tốc độ khôi phục vượt trội, MRP được xem là chuẩn vàng cho mạng dự phòng trong công nghiệp. Để đảm bảo tính tương thích, nên lựa chọn các switch hỗ trợ chuẩn MRP từ các hãng lớn như Siemens, Cisco, Belden.

Kết luận

MRP (IEC 62439-2) là giải pháp lý tưởng cho các hệ thống Ethernet công nghiệp yêu cầu tính sẵn sàng cao, khôi phục nhanh và độ tin cậy tuyệt đối.