Industrial Router – Khi nào cần sử dụng Router công nghiệp?

Trong một hệ thống Ethernet công nghiệp, Industrial Switch chủ yếu được sử dụng để kết nối các thiết bị trong cùng một mạng LAN. Tuy nhiên, khi hệ thống cần kết nối nhiều mạng khác nhau, phân chia các vùng mạng, kiểm soát luồng dữ liệu giữa mạng OT và IT hoặc kết nối hệ thống công nghiệp với Internet, một thiết bị Layer 3 là cần thiết. Đây chính là vai trò của Industrial Router – Router công nghiệp.

Vậy Industrial Router là gì? Khi nào nên sử dụng Router công nghiệp thay vì Industrial Switch? Industrial Router có những chức năng nào như Routing, NAT, Firewall và VPN? Bài viết này sẽ giải thích các khái niệm trên và minh họa vị trí của Router công nghiệp trong kiến trúc mạng nhà máy.

I. Industrial Router là gì?

Industrial Router, hay Router công nghiệp, là thiết bị mạng được sử dụng để kết nối và định tuyến dữ liệu giữa các mạng hoặc các subnet khác nhau trong môi trường công nghiệp.

Nếu Industrial Switch chủ yếu hoạt động ở Layer 2 – Data Link Layer và sử dụng địa chỉ MAC để chuyển Frame trong cùng một mạng LAN, Router hoạt động chủ yếu ở Layer 3 – Network Layer và sử dụng địa chỉ IP để quyết định nơi chuyển Packet tiếp theo.

Nói một cách đơn giản, có thể hình dung:

• Switch: Kết nối các thiết bị trong cùng một mạng.
• Router: Kết nối các mạng khác nhau.

1. Router hoạt động như thế nào?

Giả sử một nhà máy có hai mạng:

• Mạng điều khiển: 192.168.10.0/24
• Mạng giám sát: 192.168.20.0/24

PLC thuộc mạng 192.168.10.0/24 muốn gửi dữ liệu đến một máy tính SCADA thuộc mạng 192.168.20.0/24. Vì hai thiết bị nằm trên hai subnet khác nhau, dữ liệu không thể chỉ được chuyển tiếp bằng một Switch Layer 2 thông thường. Router sẽ nhận Packet, kiểm tra địa chỉ IP đích và sử dụng bảng định tuyến để chuyển Packet sang mạng phù hợp.

II. Khi nào cần sử dụng Router công nghiệp?

Không phải hệ thống Ethernet công nghiệp nào cũng cần Router. Nếu toàn bộ thiết bị nằm trong cùng một mạng LAN và chỉ cần trao đổi dữ liệu nội bộ, Industrial Switch thường đã đáp ứng được yêu cầu.

Router công nghiệp trở nên cần thiết khi hệ thống bắt đầu có nhiều mạng, nhiều vùng bảo mật hoặc cần giao tiếp với mạng bên ngoài.

1. Kết nối các subnet khác nhau

Đây là chức năng cơ bản nhất của Router. Khi một nhà máy được chia thành nhiều subnet để quản lý và tổ chức mạng, Router sẽ đảm nhiệm việc định tuyến giữa các subnet đó.

Ví dụ:

2. Phân vùng mạng OT và IT

Trong kiến trúc nhà máy hiện đại, mạng OT – Operational Technology thường chứa PLC, HMI, SCADA, biến tần, Remote I/O và các thiết bị điều khiển. Trong khi đó, mạng IT – Information Technology chứa máy tính văn phòng, server, hệ thống ERP và các dịch vụ CNTT.

Việc kết nối trực tiếp OT với IT có thể làm tăng phạm vi ảnh hưởng của các sự cố hoặc mối đe dọa an ninh mạng. Industrial Router có thể được sử dụng tại ranh giới giữa các vùng mạng để thực hiện routing, firewall và kiểm soát traffic.

3. Kết nối mạng công nghiệp với Internet

Khi hệ thống cần kết nối Internet để giám sát từ xa, truyền dữ liệu lên Cloud hoặc hỗ trợ bảo trì thiết bị từ xa, Router công nghiệp có thể đóng vai trò là Gateway giữa mạng Ethernet công nghiệp và mạng WAN/Internet.

4. Truy cập và bảo trì hệ thống từ xa

Một số Industrial Router hỗ trợ VPN, cho phép kỹ sư hoặc nhân viên bảo trì thiết lập kết nối bảo mật đến mạng nhà máy từ xa.

Ví dụ, thay vì phải đến trực tiếp nhà máy để kiểm tra PLC, kỹ sư có thể kết nối VPN đến Industrial Router rồi truy cập các thiết bị được cho phép trong mạng OT.

III. Các chức năng quan trọng của Industrial Router

1. Routing – Định tuyến

Routing là chức năng cốt lõi của Router. Thiết bị sử dụng bảng định tuyến – Routing Table – để xác định đường đi phù hợp cho các IP Packet.

Router có thể sử dụng các tuyến kết nối trực tiếp hoặc các tuyến tĩnh Static Route. Trong các hệ thống lớn hơn, một số thiết bị còn hỗ trợ các giao thức định tuyến động tùy theo model.

2. NAT – Network Address Translation

NAT cho phép Router chuyển đổi địa chỉ IP giữa các mạng. Đây là chức năng đặc biệt hữu ích trong hệ thống công nghiệp khi nhiều máy hoặc nhiều khu vực sử dụng các dải IP giống nhau.

Ví dụ, hai máy khác nhau có thể cùng sử dụng địa chỉ 192.168.1.10 nhưng nằm ở hai dây chuyền độc lập. Nếu cần kết nối hai hệ thống mà không thể thay đổi IP của PLC, NAT có thể được sử dụng để ánh xạ các địa chỉ này sang các địa chỉ khác nhau. Xem thêm Thiết Bị NAT Là Gì? Nguyên Lý Hoạt Động Và Ứng Dụng Trong Mạng Công Nghiệp

3. Firewall – Tường lửa

Router công nghiệp có tích hợp Firewall có thể kiểm soát traffic đi qua giữa các interface hoặc vùng mạng dựa trên các tiêu chí như địa chỉ IP, giao thức, port hoặc chiều truyền dữ liệu.

Ví dụ, có thể cho phép SCADA truy cập PLC qua một số dịch vụ cần thiết nhưng chặn các kết nối không được phép từ mạng IT xuống mạng điều khiển.

4. VPN – Virtual Private Network

VPN tạo ra một kênh kết nối được bảo vệ giữa các mạng hoặc giữa người dùng từ xa và mạng nhà máy. Đây là một chức năng quan trọng trong các hệ thống cần remote monitoring hoặc remote maintenance.

5. VLAN và Network Segmentation

Trong các kiến trúc mạng phức tạp, Router có thể tham gia vào việc định tuyến giữa các VLAN hoặc các vùng mạng logic khác nhau. Điều này cho phép doanh nghiệp phân tách traffic của các nhóm thiết bị mà không nhất thiết phải xây dựng một mạng vật lý hoàn toàn riêng biệt cho từng nhóm.

6. Kết nối WAN và mạng di động

Nhiều Industrial Router còn được thiết kế để kết nối WAN, 4G/5G hoặc các đường truyền Internet khác. Điều này đặc biệt hữu ích đối với các trạm bơm, trạm điện, hệ thống giao thông, máy móc đặt ở vị trí xa hoặc các dây chuyền cần giám sát từ trung tâm.

IV. Industrial Router trong kiến trúc mạng nhà máy

Trong một nhà máy, Industrial Router thường nằm tại vị trí kết nối giữa các vùng mạng. Một kiến trúc đơn giản có thể được mô tả như sau:

Trong mô hình này, Router không đơn thuần thực hiện định tuyến mà còn có thể đóng vai trò là một điểm kiểm soát traffic giữa các vùng mạng. Khi được kết hợp với Firewall và VPN, thiết bị trở thành một thành phần quan trọng trong kiến trúc Industrial Network Security.

1. Ví dụ: Kết nối từ Internet đến PLC

Giả sử một máy kỹ sư ở bên ngoài nhà máy cần kiểm tra PLC. Thay vì mở trực tiếp các port của PLC ra Internet, hệ thống có thể sử dụng VPN trên Industrial Router.

Với mô hình này, quyền truy cập có thể được kiểm soát tại Router thay vì cho phép Internet truy cập trực tiếp vào toàn bộ mạng điều khiển.

V. Industrial Router và Industrial Switch khác nhau như thế nào?

Industrial Router và Industrial Switch đều là những thiết bị quan trọng trong mạng Ethernet công nghiệp nhưng đảm nhiệm các vai trò khác nhau.

VI. Khi nào nên chọn Industrial Router?

Có thể sử dụng nguyên tắc đơn giản sau khi thiết kế mạng:

Tuy nhiên, trên thực tế một thiết bị có thể tích hợp nhiều chức năng. Vì vậy, khi lựa chọn Industrial Router, không nên chỉ nhìn vào số lượng cổng Ethernet mà cần xem xét toàn bộ yêu cầu của hệ thống.

Những thông số cần quan tâm

• Số lượng và loại cổng Ethernet.
• Tốc độ Fast Ethernet hoặc Gigabit Ethernet.
• Routing và Static Route.
• NAT/NAPT.
• Firewall và các tính năng bảo mật.
• VPN và các giao thức VPN được hỗ trợ.
• Khả năng hoạt động trong môi trường công nghiệp.
• Dải nhiệt độ hoạt động và nguồn cấp.
• Khả năng dự phòng và quản lý thiết bị.

VII. Kết luận

Industrial Router là thành phần quan trọng khi mạng Ethernet công nghiệp không còn chỉ là một LAN đơn giản mà đã được chia thành nhiều subnet, nhiều vùng chức năng hoặc cần kết nối với mạng bên ngoài.

Nếu Industrial Switch tập trung vào việc kết nối thiết bị trong mạng, Router công nghiệp đảm nhiệm việc kết nối và định tuyến giữa các mạng. Khi được tích hợp thêm NAT, Firewall và VPN, Industrial Router còn trở thành một điểm quan trọng để thực hiện phân vùng mạng, kiểm soát traffic và truy cập hệ thống công nghiệp từ xa.

Do đó, trong quá trình thiết kế mạng nhà máy, câu hỏi quan trọng không chỉ là “cần bao nhiêu Switch?” mà còn là “các vùng mạng nào cần được kết nối, định tuyến và bảo vệ?”. Câu trả lời cho câu hỏi này sẽ quyết định thời điểm cần đưa Industrial Router vào kiến trúc mạng.