Topologies en anneau propriétaires dans les réseaux d'automatisation

Dans le contexte de l'automatisation industrielle et de l'IoT, la topologie réseau désigne principalement la configuration des connexions de communications câblées entre les nœuds et les dispositifs (tels que les capteurs, les actionneurs, les moteurs intelligents, les entraînements et les contrôleurs) ainsi que les commutateurs, les concentrateurs et les passerelles. La topologie réseau utilisée pour une machine ou une installation plus importante détermine les points suivants :

• Stabilité et vitesse de communication du système
• Quantité de redondance et temps de récupération dont dispose un réseau industriel
• Capacité essentielle de récupération de la connexion (après une défaillance de liaison dans le réseau)

Cet article présente plusieurs topologies de réseau, notamment diverses topologies en anneau, ainsi que quelques topologies propriétaires et leur utilisation.

Figure 1 : Les principales familles de topologies de réseaux industriels. (Source de l'image : Design World)

En savoir plus sur les types de topologies de réseaux industriels

La topologie d'un réseau d'automatisation industrielle est la manière dont les composants du réseau, classifiés en tant que liaisons (connexions de câbles dans des configurations câblées), et les nœuds sont disposés les uns par rapport aux autres. Les nœuds sont des dispositifs qui peuvent servir de points de redistribution ou de points d'extrémité de communications. Par contraste, les liaisons sont les moyens par lesquels les nœuds se connectent — qu'ils soient câblés ou sans fil. Les liaisons peuvent être des types suivants :

• Simplex — Communications unidirectionnelles uniquement
• Duplex — Communications bidirectionnelles simultanées
• Semi-duplex — Communications bidirectionnelles … mais seulement une seule voie à la fois

La topologie d'un réseau est la manière dont les nœuds sont connectés par les liaisons. Les configurations sont nombreuses.

Topologie de réseau en bus : Les réseaux avec une topologie en bus ont une « piste » de câble principale (appelée bus) à laquelle chaque nœud se connecte indépendamment.

Topologie de réseau en étoile : Les réseaux avec une topologie en étoile sont centralisés autour d'un nœud sous la forme d'un concentrateur. Ensuite, les autres nœuds se connectent au concentrateur via leurs liaisons. Une topologie en étoile présente certains avantages en matière d'économie d'énergie, car les dispositifs individuels qui ne transmettent que par intermittence peuvent être mis hors tension, seul le concentrateur nécessitant une alimentation continue.

Topologie de réseau maillé : Les réseaux dont la topologie est entièrement connectée relient chaque nœud à tous les autres nœuds. De la même manière, les réseaux à topologie maillée (comme les configurations entièrement connectées) sont basés sur des connexions décentralisées … mais n'exigent pas que chaque paire de nœuds soit connectée. Les configurations dans lesquelles tous les nœuds ne sont pas connectés entre eux sont parfois appelées « réseaux maillés partiellement connectés ».

Les réseaux sans fil utilisent souvent une topologie maillée, car elle est robuste et sûre, et réduit la consommation d'énergie … une caractéristique utile pour les réseaux dont les nœuds sont alimentés par batteries. Les réseaux maillés peuvent également améliorer la portée du réseau pour une quantité donnée de câblage, car les liaisons individuelles peuvent être plus courtes que le réseau dans son ensemble. Cela est bénéfique pour les grands réseaux IoT comportant de nombreux capteurs basse consommation. Le plus important est peut-être que, de toutes les options, les réseaux à topologie maillée offrent la meilleure flexibilité et la meilleure redondance, surtout lorsqu'ils sont entièrement connectés. L'un des inconvénients est que la reprise après une défaillance de liaison peut être lente car le système doit trouver un nouveau chemin dans le maillage, ce qui peut nécessiter la reconfiguration des ports autour de la liaison interrompue. Pour les réseaux câblés, le câblage et les ports supplémentaires rendent également la topologie maillée plus coûteuse.

Topologie de réseau en anneau : Les réseaux avec une topologie en anneau relient chaque nœud à deux nœuds adjacents dans une séquence qui forme un anneau. On parle également d'anneau redondant car une liaison peut être désactivée jusqu'à ce qu'elle soit nécessaire.

Mieux comprendre la topologie en anneau pour l'automatisation industrielle

Les réseaux à topologie en anneau présentent de bons taux de transfert de données et une récupération assez rapide après une défaillance de liaison. Les coûts de câblage sont également relativement faibles. Il n'est donc pas étonnant que les topologies en anneau soient généralement le premier choix pour les réseaux d'automatisation industrielle câblés. Lorsqu'une liaison redondante est désactivée, l'anneau devient effectivement une ligne … fournissant une communication rapide et efficace. En cas de défaillance d'une liaison, il n'y a pas de réacheminement complexe. Au lieu de cela, une liaison redondante est simplement activée — et toutes les autres liaisons continuent à utiliser le routage de port par défaut du système.

Considérons les permutations courantes de la topologie en anneau dans le protocole de contrôle de transmission (TCP) et le protocole de datagramme utilisateur (UDP). Grâce aux protocoles IP TCP et UDP, les connexions Internet sont possibles car chaque dispositif possède une adresse IP. Ces adresses IP permettent au système d'acheminer les paquets de données d'une adresse à une autre. Les paquets contiennent les données réelles ainsi que des informations supplémentaires dans un en-tête qui inclut l'adresse IP de destination.

Le protocole TCP (souvent appelé TCP/IP) contrôle la manière dont les paquets de données sont réassemblés à leur destination. La condition préalable pour que cela fonctionne est la communication entre l'expéditeur et le destinataire. L'expéditeur inclut les numéros de séquence dans l'en-tête, et le destinataire doit renvoyer un message accusant réception du paquet. Si les paquets ne sont pas reconnus, ils sont renvoyés. Les dispositifs vérifient également les erreurs dans les paquets à l'aide de sommes de contrôle dans chaque en-tête de paquet. Ce processus TCP garantit des échanges de données fiables au prix d'allers-retours de communications relativement lents. Par contraste, le protocole UDP (le plus récent des protocoles IP) permet un transfert de données plus simple et plus rapide entre les adresses IP. Les dispositifs destinataires ne sont pas tenus d'accuser réception des paquets, de sorte que la vitesse est supérieure au prix d'une fiabilité légèrement dégradée.

Défis de redondance et solutions complémentaires

Les protocoles de gestion réseau dans les systèmes basés Ethernet complètent les fonctions de redondance pour garantir des données efficaces tout en évitant les boucles de pont problématiques et le rayonnement de diffusion qu'elles induisent. Fondamentalement, les boucles de pont ou de commutation sont des transmissions de données répétées inutilement et de manière problématique. Celles-ci transitent via des connexions dupliquées entre les dispositifs, ce qui se produit lorsqu'un réseau possède plusieurs voies entre deux nœuds de réseau communicants.

Figure 2 : Dans le domaine de l'automatisation industrielle, les topologies en anneau sont rapides et permettent une récupération rapide en cas de défaillance de liaison. (Source de l'image : Design World)

Les boucles de pont peuvent provoquer une rediffusion répétée des données, entraînant une surcharge du réseau et des ralentissements considérables. Le problème est le plus susceptible de survenir dans les systèmes avec de nombreuses redondances.

L'agrégation de liaisons utilise des ports et des câbles Ethernet parallèles pour augmenter la bande passante et accélérer les récupérations. Cela signifie que lorsqu'une liaison est défaillante, la connexion n'est pas perdue … mais certaines données peuvent être perdues — et la bande passante est réduite. Les câbles sont généralement défaillants à cause d'un dommage mécanique, et les câbles parallèles doivent être routés sur des chemins différents, ce qui augmente considérablement le coût de l'installation. Cette approche simple est normalisée sous le nom Link Aggregation Control Protocol (IEE 802.1ad).

Il est possible de conserver les avantages de la redondance tout en évitant les boucles de pont. Dans ce cas, la solution réside dans des topologies avec des boucles physiques parallèles, complétées par la possibilité de désactiver sélectivement des liaisons en utilisant un protocole de gestion de réseau. Ensuite, si une liaison active est défaillante, la topologie logique s'étend pour inclure l'une des liaisons redondantes — et le réacheminement autour de la liaison défaillante. Le protocole STP (Spanning Tree Protocol), le protocole RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) et divers protocoles en anneau propriétaires fournissent tous cette fonction de gestion réseau. Notez qu'arbre recouvrant (spanning tree) est un autre nom pour la topologie logique sans boucle créée dans ces protocoles ; les liaisons qui ne font pas partie de l'arbre recouvrant sont désactivées.

Les protocoles STP et RSTP fonctionnent avec les topologies en anneau et maillées, et offrent des temps de récupération suffisamment rapides pour la plupart des applications. Cela étant dit, les applications d'automatisation industrielle les plus exigeantes requièrent souvent des temps de récupération extrêmement rapides, uniquement possibles avec des protocoles en anneau propriétaires.

Exemples de protocoles en anneau propriétaires

Comme leur nom l'indique, les protocoles en anneau propriétaires sont spécifiques aux fabricants de matériel réseau. Par exemple, certains commutateurs N-Tron de Red Lion utilisent le protocole en anneau propriétaire N-Ring. Ces protocoles propriétaires contrôlent les boucles du réseau et gèrent les défaillances de liaisons, offrant ainsi une alternative aux protocoles STP et RSTP.

Comme nous l'avons vu précédemment, les topologies en anneau sont principalement utilisées pour les réseaux d'automatisation industrielle câblés physiquement car elles offrent une faible latence et une fiabilité optimale, et les taux de transfert de données et de récupération en cas de défaillance de liaison les plus rapides du marché. La redondance est la clé de la récupération en cas de défaillance de liaison. La difficulté est que la redondance peut causer des problèmes avec les données répétées de la boucle. Pour éviter ce problème, il faut des protocoles de réseau capables de prévenir les boucles et de rétablir rapidement les liaisons défectueuses, notamment pour les opérations d'automatisation industrielle qui ne tolèrent pas les temps d'arrêt. Les protocoles en anneau propriétaires constituent souvent le choix le plus approprié pour ces applications où la rapidité de la récupération après défaillance est essentielle.

Considérons quelques-uns des protocoles en anneau propriétaires les plus utilisés.

HiPER Ring a été déployé en tant que protocole en anneau propriétaire en 1999 par Hirschmann et Siemens. Il est désormais normalisé dans la norme CEI 62439 et porte le nom générique de protocole MRP (Media Redundancy Protocol). Il peut prendre en charge jusqu'à 200 nœuds. Bien que la version standard ait un temps de récupération de 500 ms, Fast HiPER Ring a un temps de récupération annoncé de 60 ms, bien plus compétitif.

Le protocole REP (Resilient Ethernet Protocol) est un protocole propriétaire de Cisco, également utilisé par Rockwell Automation et Westermo. REP fournit un comportement réseau rapide et prévisible et affiche un temps de récupération annoncé de seulement 20 ms. Côté limitations, REP n'est pas plug-and-play et n'empêche pas automatiquement les boucles. Au contraire, le protocole REP doit être correctement configuré pour assurer ces fonctions. REP fonctionne en créant des groupes de ports reliés ensemble en chaîne — dans des séquences appelées segments de réseau.

X-ring est la technologie en anneau propriétaire d'Advantech, dont le temps de récupération revendiqué est peut-être le plus rapide, soit 10 ms seulement. Le problème est que X-ring est limité à des réseaux relativement petits, avec 20 nœuds ou moins.

Le protocole N-Ring propriétaire de Red Lion, mentionné précédemment, affiche un temps de récupération de 30 ms et peut prendre en charge de grands réseaux — jusqu'à 250 nœuds.

Il y a une raison à la gamme assez large de vitesses énumérées ci-dessus. Bien que les protocoles de réseau TCP et UDP aient des vitesses légèrement différentes, la topologie et le protocole de gestion d'un réseau industriel ont un impact beaucoup plus significatif sur la vitesse du réseau. Par exemple, les réseaux en anneau redondants STP ont des vitesses de récupération de 30 à 90 secondes sur TCP et de 10 à 50 secondes sur UDP ; RSTP réduit ces valeurs entre 1 et 3 secondes. Les temps de récupération pour les réseaux maillés sont encore plus élevés. En revanche, certains réseaux en anneau propriétaires peuvent récupérer d'une défaillance de liaison en seulement 0,3 seconde sur TCP … ou 0,2 seconde sur UDP. En fait, certains fabricants revendiquent des temps de récupération bien meilleurs pour leurs réseaux en anneau propriétaires … parfois en 10 ms.

Conclusion sur les topologies en anneau dans l'automatisation industrielle

Les topologies en anneau sont fréquentes dans les réseaux d'automatisation industrielle câblés. Leur faible latence et leur excellente fiabilité sont souvent complétées par des méthodes propriétaires permettant d'éviter les boucles et de mieux gérer les défaillances de liaisons que les systèmes STP ou RSTP traditionnels.