پروتکل اترنت صنعتی (Industrial Ethernet)
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 1973 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 3Mbps فراهم آورد. متکالف توانست از طریق تشکیل كنسرسيومی متشكل از سه شرکت Xeriox، Intel و Digital Equipment، این پروتکل را ارتقاء داده و آن را در سال 1980 میلادی تحت عنوان استاندارد «DIX» بهصورت تجاری به بازار معرفی نماید. استاندارد DIX، استانداردی برای تبادل داده از طریق پروتکل اِترنت با سرعتی برابر 10Mbps بود که از طریق واسط انتقال کابل کواکسیال، از حداکثر فاصله 2Km پشتیبانی مینمود. این استاندارد در سال 1985 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 10Base5، 10Base2، 10Base-T، 10Base-FL، 100Base-TX، 100Base-FX، 1000Base-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 100Gbps افزایشیافته است. سادگی نصب و اجرا، نگهداری آسان، قابليت تركيب و تعامل با فنّاوریهای جديد، انعطافپذیری بالا، انتقال سریع دادهها، پشتیبانی از توپولوژیهای متنوع و قيمت مناسب از مهمترین دلايل موفقيت 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. زير لايه MAC، با عناصر فيزيكی كه از آنها بهمنظور تبادل داده استفاده میگردد، مرتبط است ولی زير لايه LLC، مستقل از تجهيزات فيزيكی است و از آن بهمنظور مدیریت فرآيند تبادل داده استفاده میشود. اترنت از آدرسهای MAC فرستنده و گیرنده كه طول آنان 48 بيتی است و بهصورت 12 رقم در مبنای شانزده نمايش داده میشوند، استفاده مینماید. شش رقم اولِ آدرسهای MAC كه توسط موسسه IEEE مديريت میگردند، برند سازنده ماژول شبکه را معین مینمایند و اين بخش از آدرس MAC، اصطلاحاً (Organizational Unique Identifier (OUI نامیده میشود. شش رقم باقيمانده نیز شماره سريال ماژول شبکه را مشخص مینمایند. آدرسهای MAC، درون حافظه ROM ماژولهای شبکه نوشتهشدهاند و در زمان مقداردهی اوليه در حافظه RAM ماژول کپی میگردند.
در شبکه اِترنت از تکنیک CSMA/CD بهمنظور دسترسی ماژولهای شبکه به باس استفاده میشود و هر ماژول شبكه از طریق آدرس MAC موجود در بستههای اطلاعاتی بهمنظور تشخيص محل ارسال پيام استفاده مینماید. در این شیوه، پس از ارسال بسته اطلاعاتی روی باس توسط یکی از تجهیزات، ماژولهای شبكه 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 1990 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 10Mbps تا 1Gbps قابلتغییر میباشد اما استفاده از سرعت 100Mbps 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.







