پروتکل اترنت صنعتی

اِترنت، خانواده‌ای متشکل از فنّاوری‌های مورداستفاده در شبکه‌های کامپیوتری است که عمدتاً در شبکه‌های محلی (LAN) ، شبکه‌های شهری (MAN) و شبکه‌های گسترده (WAN) مورداستفاده قرار می‌گیرند. این پروتکل در سال ۱۹۷۳ میلادی در شرکت Xerox PARC، توسط فردی به نام رابرت مِتکالف (به انگلیسی : Robert Metcalfe) ابداع گردید و امکان برقراری ارتباط مابین کامپیوترهای شخصی را از طریق کابل کواکسیال با سرعتی در حدود ۳Mbps فراهم آورد. متکالف توانست از طریق تشکیل کنسرسیومی متشکل از سه شرکت Xeriox، Intel و Digital Equipment، این پروتکل را ارتقاء داده و آن را در سال ۱۹۸۰ میلادی تحت عنوان استاندارد «DIX» به‌صورت تجاری به بازار معرفی نماید. استاندارد DIX، استانداردی برای تبادل داده از طریق پروتکل اِترنت با سرعتی برابر ۱۰Mbps بود که از طریق واسط انتقال کابل کواکسیال، از حداکثر فاصله ۲Km پشتیبانی می‌نمود. این استاندارد در سال ۱۹۸۵ میلادی به‌صورت رسمی توسط مؤسسه بین‌المللی مهندسان برق و الکترونیک (IEEE) در قالب استاندارد IEEE802.3 منتشر گردید. از آن زمان تاکنون، این پروتکل بارها به‌منظور دستیابی به‌سرعت های بالاتر انتقال داده و پشتیبانی از فواصل طولانی‌تر ویرایش گردیده و نسخه‌های متنوعی برای آن عرضه‌شده است که از آن جمله می‌توان به ۱۰Base5، ۱۰Base2، ۱۰Base-T، ۱۰Base-FL، ۱۰۰Base-TX، ۱۰۰Base-FX، ۱۰۰۰Base-T و… اشاره نمود. نسخه‌های امروزی عمدتاً از کابل‌های TP یا فیبر نوری به‌عنوان واسط انتقال استفاده می‌نمایند و از این طریق، سرعت انتقال داده از طریق این پروتکل به بیش از ۱۰۰Gbps افزایش‌یافته است. سادگی نصب و اجرا، نگهداری‌ آسان، قابلیت ترکیب و تعامل با فنّاوری‌های جدید، انعطاف‌پذیری بالا، انتقال سریع داده‌ها، پشتیبانی از توپولوژی‌های متنوع و قیمت مناسب از مهم‌ترین دلایل موفقیت اِترنت محسوب می‌گردد.

پروتکل اِترنت تنها از دو لایه فیزیکی و پیوند داده مدل OSI استفاده می‌نماید. در این پروتکل، رشته‌های داده در لایه دوم به قطعات کوچک‌تری به نام فریم (به انگلیسی : Frame) تقسیم می‌گردند. هر فریم علاوه بر بسته‌های داده، دربردارنده اطلاعات آدرس‌دهی و اطلاعات مربوط به بررسی رخداد خطا می‌باشد. سپس هر فریم به همراه چندین بایت از اطلاعات مورداستفاده جهت برقراری ارتباط و مشخص نمودن نقطه شروع فریم، در یک بسته (به انگلیسی : Packet) پیچیده و به لایه فیزیکی جهت تبدیل به سیگنال‌های الکتریکی و ارسال به مقصد تحویل داده می‌شود. لازم به ذکر است که لایه پیوند داده در پروتکل اِترنت، خود به دو زیرلایه به نام‌های (Media Access Control (MAC و (Logical Link Control (LLC تقسیم گردیده است. زیر لایه MAC، با عناصر فیزیکی که از آن‌ها به‌منظور تبادل داده استفاده می‌گردد، مرتبط است ولی زیر لایه LLC، مستقل از تجهیزات فیزیکی است و از آن به‌منظور مدیریت فرآیند تبادل داده استفاده می‌شود. اترنت از آدرس‌های MAC فرستنده و گیرنده که طول آنان ۴۸ بیتی است و به‌صورت ۱۲ رقم در مبنای شانزده نمایش داده می‌شوند، ‌استفاده می‌نماید. شش رقم اولِ آدرس‌های MAC که توسط موسسه IEEE مدیریت می‌گردند، برند سازنده ماژول شبکه را معین می‌نمایند و این بخش از آدرس MAC، اصطلاحاً (Organizational Unique Identifier (OUI نامیده می‌شود. شش رقم باقیمانده نیز شماره سریال ماژول شبکه را مشخص می‌نمایند. آدرس‌های MAC، درون حافظه ROM ماژول‌های شبکه نوشته‌شده‌اند و در زمان مقداردهی اولیه در حافظه RAM ماژول کپی می‌گردند.

در شبکه اِترنت از تکنیک CSMA/CD به‌منظور دسترسی ماژول‌های شبکه به باس استفاده می‌شود و هر ماژول شبکه از طریق آدرس MAC موجود در بسته‌های اطلاعاتی به‌منظور تشخیص محل ارسال پیام استفاده می‌نماید. در این شیوه، پس از ارسال بسته اطلاعاتی روی باس توسط یکی از تجهیزات، ماژول‌های شبکه مربوط به سایر تجهیزات، آدرس MAC بسته اطلاعاتی را با آدرس MAC خود مقایسه می‌نمایند، سپس در صورت تطابق آدرس، بسته داده را دریافت و در صورت عدم تطابق، از آن صرفه نظر می‌نمایند.

مزایای ذکر شده برای پروتکل اِترنت، ایده استفاده از آن در سطوح بالای هرم اتوماسیون را در دهه ۱۹۹۰ میلادی مطرح نمود و سبب تفکیک این پروتکل به دو دسته اِترنت IT و اِترنت صنعتی گردید. اِترنت صنعتی، نسخه‌ای از پروتکل اِترنت می‌باشد که متناسب با شرایط موجود در محیط‌های صنعتی همچون محدوده دمایی بالا، لرزش و ارتعاش، رطوبت و از همه مهم‌تر وجود میدان‌های مغناطیسی شدید و نویز بالا سفارشی‌سازی شده است اما مهم‌ترین وجه تمایز اِترنت IT و اِترنت صنعتی به دو ویژگی قطعیت (به انگلیسی : Determinism) و بلادرنگی (به انگلیسی : Real-Time) اترنت صنعتی بازمی‌گردد. مفهوم قطعیت به اطمینان از ارسال و دریافت صحیح داده مابین تجهیزات و مفهوم بلادرنگی به اطمینان از ارسال و دریافت به‌موقع داده‌ها اطلاق می‌گردد. دلیل اهمیت بسیار بالای وجود دو ویژگی قطعیت و بلادرنگی در پروتکل اِترنت صنعتی آن است که در کاربردهای صنعتی برخلاف کاربردهای IT، در صورت عدم دریافت صحیح و به‌موقع داده‌ها، ممکن است علاوه بر عدم کارایی سیستم کنترل، حوادث و رویدادهای ناگواری به وقوع بپیوندد. برای روشن شدن بحث فرض کنید در یک شبکه LAN، به هنگام ارسال اطلاعات از یک PC به یک پرینتر اشکالی روی دهد و منجر به از بین رفتن اطلاعات یا طولانی شدن زمان پرینت اطلاعات گردد، در این حالت کاربر می‌تواند با ارسال مجدد فرمان پرینت و یا اندکی انتظار به خواسته خود دست یابد، اما در یک خط تولید، چنانچه در دریافت صحیح و به‌موقع یک سیگنال ورودی به PLC اشکالی بروز نماید، احتمال از بین رفتن تجهیزات، محصولات و یا خطرات جانی برای کارکنان وجود خواهد داشت. از دیگر وجوه تمایز مابین اترنت IT و اترنت صنعتی می‌توان به حوزه کاربرد و حجم داده‌های انتقالی اشاره نمود. عمدتاً از اترنت صنعتی در سطوح بالای هرم اتوماسیون جهت انتقال سریع حجم بالایی از داده‌ها استفاده می‌گردد ولی اترنت IT معمولاً در یک سطح و جهت انتقال حجم پایین‌تری از داده‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرد. نوع کابل، کانکتورها، نحوه پیاده‌سازی و اجرای زیرساخت سخت‌افزاری شبکه و… از دیگر موارد تمایز دو نوع اترنت می‌باشد. سرعت انتقال داده در کاربردهای صنعتی به کمک اترنت صنعتی از ۱۰Mbps تا ۱Gbps قابل‌تغییر می‌باشد اما استفاده از سرعت ۱۰۰Mbps با توپولوژی‌های باس، درختی و ستاره‌ای و در بستر کابل‌های STP یا فیبر نوری متداول‌تر است. امروزه پروتکل‌های دیگری بر پایه اترنت صنعتی توسعه‌یافته‌اند که از آن جمله می‌توان به پروتکل‌های EtherNet/IP، PROFINET، EtherCAT، CC-Link IE و… اشاره نمود.