اتوماسیون کارخانه‌های مدرن به‌شدت به ارتباطات مستحکم اترنت صنعتی متکی است. مهندسان سیستم‌های کنترلی از سوئیچ‌های اترنت مدیریتی برای اتصال کنترلرهای منطقی برنامه‌پذیر (PLCها)، سیستم‌های کنترل توزیع‌شده (DCSها)، رابط‌های انسان و ماشین (HMIها) و دستگاه‌های I/O میدانی استفاده می‌کنند. انتخاب میان معماری سوئیچینگ لایه ۲ و لایه ۳، مستقیماً بر توان عملیاتی شبکه، قابلیت‌های مسیریابی و دفاع کلی امنیت سایبری در شبکه‌های فناوری عملیاتی (OT) تأثیر می‌گذارد.

مبانی سوئیچینگ اترنت در اتوماسیون کارخانه

سوئیچ اترنت در معماری سیستم کنترل، به‌عنوان یک گره ارتباطی مرکزی عمل می‌کند. سیم‌کشی نقطه‌به‌نقطه میان کنترلرهای صنعتی منفرد، به‌سرعت حلقه‌های پیچیده کابل‌کشی و گلوگاه‌های سخت‌افزاری ایجاد می‌کند. سوئیچ‌های اترنت با مدیریت ترافیک چنددستگاهی در سراسر یک زیرساخت فیزیکی شبکه، این چالش‌های مسیریابی را برطرف می‌کنند. سوئیچ‌ها بسته‌های داده ورودی را بررسی کرده و آن‌ها را مستقیماً به رابط‌های سخت‌افزاری تعیین‌شده هدایت می‌کنند تا ارتباطات قطعی میان تجهیزات کف کارخانه تضمین شود.

آشنایی با سوئیچ‌های لایه ۲ و ارسال بر اساس نشانی MAC

سوئیچ‌های لایه ۲ در لایه پیوند داده مدل اتصال متقابل سامانه‌های باز (OSI) فعالیت می‌کنند. این دستگاه‌ها ترافیک داده را صرفاً با استفاده از نشانی‌های کنترل دسترسی رسانه (MAC) که در کارت‌های رابط شبکه فیزیکی حک شده‌اند، هدایت می‌کنند. هنگامی که یک PLC پیام I/O ارسال می‌کند، سوئیچ لایه ۲ نشانی MAC مقصد را بررسی کرده و فریم‌ها را به درگاه تعیین‌شده ارسال می‌کند.

بااین‌حال، سوئیچ‌های لایه ۲ منحصراً در یک دامنه پخشی و محدوده زیرشبکه واحد فعالیت می‌کنند. برای نمونه، دستگاهی با نشانی IP برابر با 192.168.1.10 نمی‌تواند از طریق یک سوئیچ صرفاً لایه ۲ با دستگاهی در نشانی 192.168.2.10 ارتباط برقرار کند. در نتیجه، این سوئیچ‌ها برای سلول‌های کنترلی محلی که از طرح‌های نشانی‌دهی IP یکسان استفاده می‌کنند، مناسب هستند.

آشنایی با سوئیچ‌های لایه ۳ و عملکرد مسیریابی IP

سوئیچ‌های لایه ۳ در لایه شبکه OSI فعالیت می‌کنند و سرعت سوئیچینگ را با قابلیت‌های مسیریابی IP ترکیب می‌کنند. این سوئیچ‌ها نشانی‌های منطقی IP را در کنار نشانی‌های سخت‌افزاری MAC پردازش می‌کنند. بنابراین، سوئیچ‌های لایه ۳ می‌توانند بسته‌ها را میان زیرشبکه‌ها و شبکه‌های محلی مجازی (VLANها)ی مجزا، بدون نیاز به مسیریاب‌های خارجی جداگانه، مسیریابی کنند.

افزون بر این، سوئیچ‌های صنعتی لایه ۳ قابلیت‌های پیشرفته شبکه مانند مسیریابی ایستا، پروتکل‌های مسیریابی پویا و فهرست‌های کنترل دسترسی (ACLها) را مدیریت می‌کنند. این قابلیت به مهندسان کنترل امکان می‌دهد زیرشبکه‌های متفاوت را در تأسیسات تولیدی بزرگ به یکدیگر متصل کنند و هم‌زمان نرخ بالای ارسال بسته‌ها را حفظ کنند.

مقایسه تفاوت‌های عملیاتی در کاربردهای صنعتی

تفاوت‌های معماری کلیدی، سوئیچ‌های لایه ۲ و لایه ۳ را در شبکه‌های صنعتی از یکدیگر متمایز می‌کنند:

نکات فنی درباره طراحی معماری شبکه

در ۱۵ سال تجربه مهندسی استقرارهای بزرگ‌مقیاس DCS و PLC، انتخاب میان سوئیچ‌های لایه ۲ و لایه ۳ به تعیین درست مرزهای بخش‌بندی شبکه بازمی‌گردد. مهندسان اغلب با قرار دادن سوئیچ‌های لایه ۳ مستقیماً در سطح اسکید ماشین، شبکه‌ها را بیش‌ازحد پیچیده و مجهز می‌کنند. سلول‌های ماشین محلی به‌ندرت به قابلیت مسیریابی نیاز دارند و سوئیچ‌های مدیریتی ساده لایه ۲، ارسال با سرعت سیمی بیشتر و سربار راه‌اندازی کمتری فراهم می‌کنند.

بااین‌حال، استقرار سوئیچ‌های لایه ۳ در هسته OT یا لبه سازمانی همچنان ضروری است. بخش‌بندی عملیات کارخانه در VLANهای ایزوله، طوفان‌های پخشی را محدود کرده و حرکت جانبی غیرمجاز در شبکه‌های کنترلی را کاهش می‌دهد. پیاده‌سازی سوئیچ‌های لایه ۳ در سطح نظارتی، امکان کنترل دقیق مسیریابی میان VLANها را فراهم می‌کند و هم‌زمان تأخیر کم را در فرایندهای حیاتی اتوماسیون حفظ می‌کند.

سناریوی کاربردی: معماری شبکه کارخانه چندسلولی

یک تأسیسات بزرگ تولید خودرو را در نظر بگیرید که سه سلول تولیدی مجزا دارد: پرس‌کاری (زیرشبکه 10.10.10.0/24)، جوشکاری (زیرشبکه 10.10.20.0/24) و مونتاژ (زیرشبکه 10.10.30.0/24). هر سلول به‌صورت مستقل از سوئیچ‌های محلی لایه ۲ برای اتصال PLCها، درایوها و کنترلرهای ربات در محدوده IP خود استفاده می‌کند.

برای آن‌که یک سرور مرکزی SCADA در زیرشبکه 10.10.100.0/24 بتواند داده‌های تشخیصی هر سه سلول را تجمیع کند، مهندسان سوئیچ‌های محلی لایه ۲ را به یک سوئیچ صنعتی مرکزی لایه ۳ در رک اتاق کنترل متصل می‌کنند. سوئیچ لایه ۳ ترافیک داده را میان زیرشبکه‌ها مسیریابی می‌کند و هم‌زمان با اعمال فهرست‌های کنترل دسترسی (ACLها)، ترافیک مستقیم و غیرمجاز میان سلول‌ها را مسدود می‌سازد تا جداسازی شبکه و ایمنی عملیاتی تضمین شود.

درباره نویسنده

چن مینگ مهندس ارشد اتوماسیون است و بیش از ۱۵ سال در زمینه طراحی شبکه‌های صنعتی، یکپارچه‌سازی DCS و حفاظت سیستم‌های قدرت تجربه دارد. تخصص او طراحی زیرساخت‌های تاب‌آور فناوری عملیاتی (OT)، اتوماسیون پست مبتنی بر IEC 61850 و شبکه‌های اترنت با دسترس‌پذیری بالا برای صنایع تولیدی سنگین و فرایندی است.