Comment les commutateurs industriels prennent-ils en charge la redondance ?

Les commutateurs industriels prennent en charge la redondance pour garantir la fiabilité du réseau, la tolérance aux pannes et des temps d'arrêt minimaux, qui sont essentiels dans les environnements industriels tels que les secteurs de la fabrication, des transports, des services publics et de l'énergie. La redondance permet à un réseau de continuer à fonctionner même en cas de panne d'un périphérique ou d'une liaison, améliorant ainsi la disponibilité globale du système. Les réseaux industriels fonctionnent souvent dans des environnements difficiles, la redondance est donc essentielle pour maintenir des opérations continues. Voici une description détaillée de la manière dont les commutateurs industriels prennent en charge la redondance :

1. Topologies redondantes

La disposition physique et logique des connexions réseau joue un rôle crucial dans la redondance. Les commutateurs industriels prennent en charge diverses topologies de réseau conçues pour fournir des chemins de données alternatifs en cas de panne.

Topologies redondantes courantes :

Topologie en anneau : L'une des topologies les plus utilisées dans les réseaux industriels pour la redondance.

--- Dans une topologie en anneau, les commutateurs sont connectés de manière circulaire. Si une liaison est rompue, les données peuvent circuler dans la direction opposée, évitant ainsi les temps d'arrêt du réseau.

--- Le protocole Rapid Spanning Tree (RSTP) ou Ethernet Ring Protection Switching (ERPS) assure une récupération rapide en cas de panne de liaison.

Topologie maillée : Dans une topologie maillée, chaque commutateur est connecté à plusieurs autres commutateurs, créant ainsi plusieurs chemins redondants pour les données.

--- Cette topologie offre un niveau élevé de redondance car il existe plusieurs chemins entre deux commutateurs quelconques, réduisant ainsi le risque de panne de réseau en cas de panne d'un lien ou d'un commutateur.

Double hébergement : Dans cette topologie, les commutateurs disposent de plusieurs connexions à deux commutateurs (ou routeurs) différents, offrant ainsi des chemins alternatifs en cas de panne d'un commutateur.

Topologie en étoile avec noyau redondant : Le ou les commutateurs principaux au centre de la topologie en étoile disposent de liaisons redondantes vers les commutateurs périphériques. Ainsi, si le commutateur principal ou un lien tombe en panne, le trafic est redirigé vers le cœur de secours ou un autre lien.

Exemple:

--- Dans une usine, si une machine sur la ligne de production communique avec un centre de contrôle via un réseau industriel, une topologie en anneau peut garantir que si un câble est endommagé ou déconnecté, le commutateur redirigera les données via un chemin alternatif dans le anneau.

2. Protocole Spanning Tree (STP) et variantes

Spanning Tree Protocol (STP) est un protocole réseau utilisé pour empêcher les boucles dans les réseaux Ethernet, courantes dans les topologies redondantes. Sans STP, les connexions redondantes pourraient provoquer des tempêtes de diffusion, entraînant une panne du réseau.

Variantes de STP pour une redondance plus rapide :

--- STP (Spanning Tree Protocol) : STP crée une topologie logique sans boucle en bloquant les liens redondants. Si un lien principal échoue, STP débloque automatiquement un lien de sauvegarde pour restaurer la connectivité.

--- RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) : version améliorée de STP, RSTP offre une convergence plus rapide (généralement en quelques secondes) que STP, ce qui le rend adapté aux environnements industriels où un basculement rapide est crucial pour éviter les temps d'arrêt de production.

--- MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol) : MSTP permet à plusieurs Spanning Trees de s'exécuter sur la même topologie physique, offrant ainsi un meilleur équilibrage de la charge du trafic et une meilleure redondance. Il est plus efficace que STP et RSTP dans les réseaux plus grands comportant plusieurs VLAN.

3. Commutation de protection d'anneau Ethernet (ERPS)

Ethernet Ring Protection Switching (ERPS) est un protocole spécialisé conçu pour les topologies en anneau, offrant des temps de récupération encore plus rapides que RSTP. ERPS peut restaurer la connectivité réseau en moins de 50 millisecondes en cas de panne de liaison ou de commutateur, ce qui le rend idéal pour les environnements industriels où une récupération rapide est essentielle.

Comment fonctionne l'ERPS :

--- ERPS forme une topologie en anneau unique avec tous les commutateurs connectés selon un motif circulaire.

--- Un commutateur est désigné comme propriétaire du Ring Protection Link (RPL), et un lien dans l'anneau est bloqué pour éviter les boucles.

--- Si une panne se produit sur n'importe quelle liaison de l'anneau, ERPS débloque rapidement la liaison de sauvegarde, rétablissant ainsi la connectivité complète presque instantanément.

4. Agrégation de liens (LAG)

L'agrégation de liens (également appelée EtherChannel ou port trunking) est une méthode utilisée pour combiner plusieurs liens physiques en un seul lien logique entre deux commutateurs. Cela fournit une redondance au niveau des liaisons en répartissant le trafic sur plusieurs liaisons.

Avantages de l'agrégation de liens :

--- Bande passante accrue : en regroupant plusieurs liens, LAG augmente la bande passante globale entre deux commutateurs, réduisant ainsi la congestion.

--- Protection contre le basculement : si un lien du groupe d'agrégation tombe en panne, les autres liens continuent de fonctionner, garantissant un flux de données ininterrompu.

Exemple:

--- Si un commutateur industriel est connecté à un autre commutateur via trois liaisons physiques (en utilisant LAG), la panne d'une liaison ne perturbera pas la communication, car les deux liaisons restantes continueront à acheminer le trafic.

5. HSRP/VRRP (protocoles de redondance de routeur)

Pour les commutateurs industriels de couche 3 (qui remplissent à la fois des fonctions de commutation et de routage), le protocole HSRP (Hot Standby Router Protocol) et le protocole VRRP (Virtual Router Redundancy Protocol) fournissent une redondance au niveau du routeur.

Comment fonctionnent HSRP/VRRP :

--- HSRP (Hot Standby Router Protocol) : protocole propriétaire de Cisco qui permet à plusieurs commutateurs (ou routeurs) de couche 3 de fonctionner comme un seul routeur virtuel. Un commutateur est le commutateur actif, tandis qu'un autre est en veille. En cas de panne du commutateur actif, le commutateur de veille prend en charge la fonction de routage de manière transparente.

--- VRRP (Virtual Router Redundancy Protocol) : Un protocole standard ouvert similaire au HSRP. Il permet également à plusieurs commutateurs de partager une seule adresse IP virtuelle, offrant ainsi une redondance au niveau du routage de couche 3.

Cas d'utilisation :

--- Dans un environnement industriel, si vous disposez de plusieurs sous-réseaux et que vous acheminez le trafic entre eux à l'aide de commutateurs de couche 3, HSRP ou VRRP peuvent garantir qu'une panne du commutateur de routage principal ne perturbe pas la communication entre les sous-réseaux.

6. Alimentations redondantes

De nombreux commutateurs industriels sont conçus avec des entrées d'alimentation doubles pour garantir la redondance au niveau de la puissance. Cette fonctionnalité permet de protéger contre les pannes d'alimentation, fréquentes dans les environnements industriels difficiles en raison de surtensions, de fluctuations ou de dysfonctionnements de l'équipement.

Caractéristiques d'alimentation redondante :

--- Double alimentation : les commutateurs industriels peuvent avoir deux entrées d'alimentation indépendantes provenant de sources différentes (AC/DC), donc si une source d'alimentation tombe en panne, l'autre prend le relais sans interrompre le fonctionnement du réseau.

--- Power Over Ethernet (PoE) : dans les commutateurs PoE, la redondance peut être appliquée à l'alimentation électrique des appareils critiques tels que les caméras IP, les capteurs ou les téléphones VoIP en garantissant qu'en cas de panne d'une source d'alimentation, les appareils continuent d'être alimentés via une autre. Commutateur ou source compatible PoE.

7. Protocoles industriels de redondance

Dans les environnements industriels, les commutateurs prennent souvent en charge des protocoles industriels spécialisés conçus pour la redondance et la haute disponibilité.

Protocoles industriels clés :

--- PRP (Parallel Redundancy Protocol) : PRP fournit une récupération sans délai en cas de défaillance d'un lien ou d'un nœud en envoyant des trames identiques sur deux réseaux indépendants. Cela garantit la continuité de la communication même en cas de panne d'un réseau, ce qui le rend extrêmement fiable pour les applications industrielles critiques.

--- HSR (High-Availability Seamless Redundancy) : HSR est un autre protocole de redondance utilisé dans l'automatisation industrielle. Il fonctionne de manière similaire au PRP en envoyant des trames de données en double, mais il le fait dans une topologie en anneau.

--- DLR (Device-Level Ring) : le DLR est utilisé spécifiquement pour les topologies en anneau dans les réseaux Ethernet industriels. Il permet une récupération rapide du réseau (en moins de 3 ms) en cas de panne de liaison, ce qui le rend idéal pour les systèmes de contrôle en temps réel dans l'automatisation industrielle.

8. Redondance VLAN et sous-réseau

Les VLAN (Virtual Local Area Networks) et la segmentation de sous-réseaux peuvent également être utilisés pour créer une redondance au niveau logique.

Redondance VLAN : En créant des VLAN redondants, vous pouvez séparer différents types de trafic réseau (par exemple, trafic de contrôle, données de capteurs, vidéosurveillance) en segments isolés. En cas de panne dans un VLAN ou un segment, les autres VLAN ne sont pas affectés, garantissant ainsi la poursuite des opérations critiques.

Redondance de sous-réseau : L'utilisation de sous-réseaux distincts pour différentes zones fonctionnelles du réseau industriel permet de limiter l'ampleur des pannes. Les commutateurs de couche 3 peuvent acheminer le trafic entre des sous-réseaux redondants, garantissant ainsi qu'une panne dans un sous-réseau n'affecte pas les autres parties du réseau.

9. Protocoles réseau d'auto-réparation

En plus des protocoles traditionnels tels que STP et ERPS, certains réseaux industriels utilisent des protocoles d'auto-réparation qui redirigent automatiquement le trafic lorsqu'une panne est détectée. Ces protocoles sont conçus pour minimiser les temps d'arrêt et garantir des communications en temps réel dans les applications critiques.

Exemple:

--- Profinet avec MRP (Media Redundancy Protocol) : MRP est un protocole d'auto-réparation utilisé dans les réseaux industriels Profinet. Il prend en charge une récupération rapide dans les topologies en anneau, garantissant que la communication est rétablie rapidement après une panne.

Conclusion

Les commutateurs industriels prennent en charge la redondance grâce à une combinaison de topologies physiques redondantes, de protocoles de basculement et d'alimentations de secours. L'objectif de la redondance est de fournir des chemins alternatifs pour la transmission des données et de garantir la continuité des opérations du réseau, même en cas de panne matérielle, de panne de liaison ou de problème d'alimentation.

Certains des mécanismes de redondance les plus importants dans les réseaux industriels incluent les topologies en anneau avec ERPS, les protocoles Spanning Tree comme RSTP et MSTP, l'agrégation de liens et les protocoles de redondance de routeur comme HSRP et VRRP. De plus, des protocoles spécifiques à l'industrie tels que PRP, HSR et DLR fournissent des solutions de redondance spécialisées pour répondre aux exigences uniques des systèmes d'automatisation et de contrôle industriels.

En mettant en œuvre ces techniques de redondance, les réseaux industriels peuvent atteindre une haute disponibilité, un basculement rapide et une résilience dans des environnements difficiles.