¿Cómo admiten los conmutadores industriales la redundancia?

Los conmutadores industriales admiten redundancia para garantizar la confiabilidad de la red, la tolerancia a fallas y un tiempo de inactividad mínimo, que son críticos en entornos industriales como los sectores de fabricación, transporte, servicios públicos y energía. La redundancia permite que una red continúe funcionando incluso cuando falla un dispositivo o enlace, mejorando así el tiempo de actividad general del sistema. Las redes industriales suelen operar en entornos hostiles, por lo que la redundancia es esencial para mantener operaciones continuas. A continuación se ofrece una descripción detallada de cómo los conmutadores industriales admiten la redundancia:

1. Topologías redundantes

El diseño físico y lógico de las conexiones de red juega un papel crucial en la redundancia. Los conmutadores industriales admiten una variedad de topologías de red diseñadas para proporcionar rutas de datos alternativas en caso de falla.

Topologías redundantes comunes:

Topología de anillo: Una de las topologías más utilizadas en redes industriales para redundancia.

--- En una topología de anillo, los interruptores están conectados de forma circular. Si un enlace se rompe, los datos pueden fluir en la dirección opuesta, evitando el tiempo de inactividad de la red.

--- El protocolo de árbol de expansión rápido (RSTP) o la conmutación de protección de anillo Ethernet (ERPS) garantizan una recuperación rápida en caso de falla del enlace.

Topología de malla: En una topología de malla, cada conmutador está conectado a varios otros conmutadores, lo que crea varias rutas redundantes para los datos.

--- Esta topología ofrece un alto nivel de redundancia porque existen múltiples rutas entre dos conmutadores, lo que reduce la probabilidad de una interrupción de la red si falla un enlace o conmutador.

Doble alojamiento: En esta topología, los conmutadores tienen múltiples conexiones a dos conmutadores (o enrutadores) diferentes, lo que proporciona rutas alternativas en caso de que falle un conmutador.

Topología en estrella con núcleo redundante: El conmutador central (o conmutadores) en el centro de la topología en estrella tiene enlaces redundantes a los conmutadores de borde, por lo que si el conmutador central o un enlace falla, el tráfico se redirige al núcleo de respaldo u otro enlace.

Ejemplo:

--- En una fábrica, si una máquina en la línea de producción se comunica con un centro de control a través de una red industrial, una topología en anillo puede garantizar que si un cable se daña o se desconecta, el conmutador redirigirá los datos a través de una ruta alternativa en el anillo.

2. Protocolo de árbol de expansión (STP) y variantes

El protocolo de árbol de expansión (STP) es un protocolo de red que se utiliza para evitar bucles en redes Ethernet, que son comunes en topologías redundantes. Sin STP, las conexiones redundantes podrían provocar tormentas de transmisión, lo que provocaría fallas en la red.

Variantes de STP para una redundancia más rápida:

--- STP (Protocolo de árbol de expansión): STP crea una topología lógica sin bucles bloqueando enlaces redundantes. Si falla un enlace principal, STP desbloquea automáticamente un enlace de respaldo para restaurar la conectividad.

--- RSTP (Protocolo de árbol de expansión rápida): RSTP, una versión mejorada de STP, proporciona una convergencia más rápida (normalmente en unos pocos segundos) que STP, lo que lo hace adecuado para entornos industriales donde la conmutación por error rápida es crucial para evitar el tiempo de inactividad de la producción.

--- MSTP (Protocolo de árbol de expansión múltiple): MSTP permite que se ejecuten múltiples árboles de expansión sobre la misma topología física, lo que proporciona un mejor equilibrio de carga de tráfico y redundancia. Es más eficiente que STP y RSTP en redes más grandes con múltiples VLAN.

3. Conmutación de protección de anillo Ethernet (ERPS)

La conmutación de protección de anillo Ethernet (ERPS) es un protocolo especializado diseñado para topologías de anillo que ofrece tiempos de recuperación aún más rápidos que RSTP. ERPS puede restaurar la conectividad de la red en menos de 50 milisegundos en caso de falla de un enlace o conmutador, lo que lo hace ideal para entornos industriales donde la recuperación rápida es fundamental.

Cómo funciona ERPS:

--- ERPS forma una topología de anillo único con todos los conmutadores conectados en un patrón circular.

--- Un conmutador se designa como propietario del enlace de protección de anillo (RPL) y un enlace en el anillo se bloquea para evitar bucles.

--- Si ocurre una falla en cualquier enlace del anillo, ERPS desbloquea rápidamente el enlace de respaldo, restaurando la conectividad completa casi al instante.

4. Agregación de enlaces (LAG)

Link Aggregation (también conocido como EtherChannel o enlace de puertos) es un método utilizado para combinar múltiples enlaces físicos en un enlace lógico entre dos conmutadores. Esto proporciona redundancia a nivel de enlace al distribuir el tráfico entre múltiples enlaces.

Beneficios de la agregación de enlaces:

--- Mayor ancho de banda: al agrupar múltiples enlaces, LAG aumenta el ancho de banda general entre dos conmutadores, lo que reduce la congestión.

--- Protección contra fallas: si un enlace en el grupo de agregación falla, los otros enlaces continúan funcionando, lo que garantiza un flujo de datos ininterrumpido.

Ejemplo:

--- Si un conmutador industrial está conectado a otro conmutador a través de tres enlaces físicos (usando LAG), la falla de un enlace no interrumpirá la comunicación, ya que los dos enlaces restantes continuarán transportando tráfico.

5. HSRP/VRRP (Protocolos de redundancia de enrutador)

Para los conmutadores industriales de capa 3 (que realizan funciones de conmutación y enrutamiento), el protocolo de enrutador Hot Standby (HSRP) y el protocolo de redundancia de enrutador virtual (VRRP) proporcionan redundancia a nivel de enrutador.

Cómo funciona HSRP/VRRP:

--- HSRP (Protocolo de enrutador Hot Standby): un protocolo propietario de Cisco que permite que múltiples conmutadores (o enrutadores) de Capa 3 funcionen como un único enrutador virtual. Un interruptor es el interruptor activo, mientras que el otro está en espera. Si el conmutador activo falla, el conmutador en espera asume la función de enrutamiento sin problemas.

--- VRRP (Protocolo de redundancia de enrutador virtual): un protocolo estándar abierto similar a HSRP. También permite que varios conmutadores compartan una única dirección IP virtual, lo que proporciona redundancia en el nivel de enrutamiento de Capa 3.

Caso de uso:

--- En un entorno industrial, si tiene varias subredes y está enrutando el tráfico entre ellas mediante conmutadores de capa 3, HSRP o VRRP pueden garantizar que una falla del conmutador de enrutamiento principal no interrumpa la comunicación entre las subredes.

6. Fuentes de alimentación redundantes

Muchos conmutadores industriales están diseñados con entradas de alimentación duales para garantizar la redundancia en el nivel de potencia. Esta característica ayuda a proteger contra fallas en el suministro de energía, que son comunes en entornos industriales hostiles debido a sobretensiones, fluctuaciones o mal funcionamiento del equipo.

Funciones de energía redundante:

--- Fuentes de alimentación duales: Los interruptores industriales pueden tener dos entradas de alimentación independientes de diferentes fuentes (AC/DC), de modo que si una fuente de alimentación falla, la otra toma el control sin interrumpir el funcionamiento de la red.

--- Alimentación a través de Ethernet (PoE): en los conmutadores PoE, la redundancia se puede aplicar a la entrega de energía a dispositivos críticos como cámaras IP, sensores o teléfonos VoIP al garantizar que si una fuente de energía falla, los dispositivos continúen recibiendo energía a través de otra. Conmutador o fuente habilitado para PoE.

7. Protocolos industriales de redundancia

En entornos industriales, los conmutadores suelen admitir protocolos industriales especializados diseñados para ofrecer redundancia y alta disponibilidad.

Protocolos industriales clave:

--- PRP (Protocolo de redundancia paralela): PRP proporciona recuperación sin retardo en caso de falla de un enlace o nodo mediante el envío de tramas idénticas a través de dos redes independientes. Esto garantiza que la comunicación continúe incluso si falla una red, lo que la hace altamente confiable para aplicaciones industriales críticas.

--- HSR (redundancia perfecta de alta disponibilidad): HSR es otro protocolo de redundancia utilizado en la automatización industrial. Funciona de manera similar a PRP enviando tramas de datos duplicadas, pero lo hace dentro de una topología de anillo.

--- DLR (Anillo a nivel de dispositivo): DLR se utiliza específicamente para topologías de anillo en redes Ethernet industriales. Proporciona una rápida recuperación de la red (en menos de 3 ms) en caso de falla del enlace, lo que lo hace ideal para sistemas de control en tiempo real en automatización industrial.

8. VLAN y redundancia de subred

Las VLAN (redes de área local virtuales) y la segmentación de subred también se pueden utilizar para crear redundancia a nivel lógico.

Redundancia de VLAN: Al crear VLAN redundantes, puede separar diferentes tipos de tráfico de red (por ejemplo, tráfico de control, datos de sensores, videovigilancia) en segmentos aislados. En caso de falla en una VLAN o segmento, las otras VLAN no se ven afectadas, lo que garantiza que las operaciones críticas continúen.

Redundancia de subred: El uso de subredes separadas para diferentes áreas funcionales de la red industrial ayuda a limitar el alcance de las fallas. Los conmutadores de capa 3 pueden enrutar el tráfico entre subredes redundantes, asegurando que la falla en una subred no afecte a otras partes de la red.

9. Protocolos de red autorreparables

Además de los protocolos tradicionales como STP y ERPS, algunas redes industriales emplean protocolos de autorreparación que redirigen automáticamente el tráfico cuando se detecta una falla. Estos protocolos están diseñados para minimizar el tiempo de inactividad y garantizar comunicaciones en tiempo real en aplicaciones de misión crítica.

Ejemplo:

--- Profinet con MRP (Media Redundancy Protocol): MRP es un protocolo de autorreparación utilizado en redes industriales Profinet. Admite una recuperación rápida en topologías de anillo, lo que garantiza que la comunicación se restablezca rápidamente después de una falla.

Conclusión

Los conmutadores industriales admiten la redundancia mediante una combinación de topologías físicas redundantes, protocolos de conmutación por error y fuentes de alimentación de respaldo. El objetivo de la redundancia es proporcionar rutas alternativas para la transmisión de datos y garantizar que las operaciones de la red continúen sin interrupciones, incluso en caso de fallas de hardware, cortes de enlaces o problemas de energía.

Algunos de los mecanismos más importantes de redundancia en redes industriales incluyen topologías en anillo con ERPS, protocolos de árbol de expansión como RSTP y MSTP, agregación de enlaces y protocolos de redundancia de enrutadores como HSRP y VRRP. Además, los protocolos industriales específicos como PRP, HSR y DLR proporcionan soluciones de redundancia especializadas para satisfacer las demandas únicas de los sistemas de control y automatización industrial.

Al implementar estas técnicas de redundancia, las redes industriales pueden lograr alta disponibilidad, conmutación por error rápida y resiliencia en entornos desafiantes.