Cấu trúc mạng liên quan tới tổ chức và phương thức phối hợp hoạt động giữa các thành phần trong một hệ thống mạng. Cấu trúc mạng ảnh hưởng tới nhiều tính năng kỹ thuật, trong đó có độ tin cậy của hệ thống. Trước khi tìm hiểu về các cấu trúc thông dụng trong mạng truyền thông công nghiệp, một số định nghĩa cơ bản được đưa ra dưới đây.

Liên kết (link) là mối quan hệ vật lý hoặc logic giữa hai hoặc nhiều đối tác truyền thông. Đối với liên kết vật lý, các đối tác chính là các trạm truyền thông được liên kết với nhau qua một môi trường vật lý. Ví dụ các thẻ nối mạng trong máy tính điều khiển, các bộ xử lý truyền thông của PLC hoặc các bộ lặp đều là các đối tác vật lý. Trong trường hợp này, tương ứng với một nút mạng chỉ có một đối tác duy nhất.

Khái niệm liên kết logic có thể được hiểu theo hai nghĩa. Thứ nhất, một đối tác truyền thông không nhất thiết phải là một thiết bị phần cứng, mà có thể là một chương trình hệ thống hay một chương trình ứng dụng trên một trạm, nên quan hệ giữa các đối tác này chỉ mang tính chất logic.

Như vậy, tương ứng với một đối tác vật lý thường có nhiều đối tác logic, cũng như nhiều mối liên kết logic được xây dựng trên cơ sở một mối liên kết vật lý. Theo nghĩa thứ hai, mặc dù bản thân các đối tác vẫn là các thiết bị phần cứng, nhưng quan hệ của chúng về mặt logic hoàn toàn khác với quan hệ về mặt vật lý.

Có thể phân biệt các kiểu liên kết sau đây:

• Liên kết điểm-điểm (point-to-point): Một mối liên kết chỉ có hai đối tác tham gia. Nếu xét về mặt vật lý thì với một đường truyền chỉ nối được hai trạm với nhau. Để xây dựng một mạng truyền thông trên cơ sở này sẽ cần nhiều đường truyền riêng biệt.
• Liên kết điểm-nhiều điểm (multi-drop): Trong một mối liên kết có nhiều đối tác tham gia, tuy nhiên chỉ một đối tác cố định duy nhất (trạm chủ) có khả năng phát trong khi nhiều đối tác còn lại thu nhận thông tin cùng một lúc. Việc giao tiếp theo chiều ngược lại từ trạm tớ tới trạm chủ chỉ được thực hiện theo kiểu điểm-điểm. Xét về mặt vật lý, nhiều đối tác có thể được nối với nhau qua một cáp chung duy nhất.
• Liên kết nhiều điểm (multipoint): Trong một mối liên kết có nhiều đối tác tham gia và có thể trao đổi thông tin qua lại tự do theo bất kỳ hướng nào. Bất cứ một đối tác nào cũng có quyền phát và bất cứ trạm nào cũng nghe được. Cũng như kiểu liên kết điểm-nhiều điểm, có thể sử dụng một cáp dẫn duy nhất để nối mạng giữa các đối tác.

Một hệ thống truyền thông không nhất thiết phải hỗ trợ tất cả các kiểu liên kết như trên. Đương nhiên, khả năng liên kết điểm nhiều điểm bao hàm khả năng liên kết điểm-điểm cũng như liên kết nhiều điểm bao hàm hai khả năng còn lại. Khả năng liên kết nhiều điểm là đặc trưng của mạng truyền thông công nghiệp.

Topology là cấu trúc liên kết của một mạng, hay nói cách khác chính là tổng hợp của các liên kết. Topology có thể hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng, nhưng cũng có thể là cách sắp xếp logic của các nút mạng, cách định nghĩa về tổ chức logic các mối liên kết giữa các nút mạng.

Tuy hai khái niệm topology và cấu trúc mạng không hoàn toàn giống nhau, trong thực tế chúng được dùng với nghĩa tương đương. Có thể phân biệt các dạng cấu trúc cơ bản là bus, mạch vòng (tích cực) và hình sao. Một số cấu trúc phức tạp hơn, ví dụ cấu trúc cây, đều có thể xây dựng trên cơ sở phối hợp ba cấu trúc cơ bản này.

Trong cấu trúc đơn giản này, tất cả các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp với một đường dẫn chung. Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụng chung một đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm, vì thế tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt.

Có thể phân biệt ba kiểu cấu hình trong cấu trúc bus: daisy-chain và trunk-line/drop-line và mạch vòng không tích cực. Hai cấu hình đầu cũng được xếp vào kiểu cấu trúc đường thẳng, bởi hai đầu đường truyền không khép kín.

Với daisy-chain, mỗi trạm được nối mạng trực tiếp tại giao lộ của hai đoạn dây dẫn, không qua một đoạn dây nối phụ nào. Ngược lại, trong cấu hình trunk-line/drop-line, mỗi trạm được nối qua một đường nhánh (drop-line) để đến đường trục (trunk-line). Còn mạch vòng không tích cực thực chất chỉ khác với trunk-line/drop-line ở chỗ đường truyền được khép kín.

Bên cạnh việc tiết kiệm dây dẫn thì tính đơn giản, dễ thực hiện là những ưu điểm chính của cấu trúc bus, nhờ vậy mà cấu trúc này phổ biến nhất trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Trường hợp một trạm không làm việc (do hỏng hóc, do cắt nguồn,…) không ảnh hưởng tới phần mạng còn lại. Một số hệ thống còn cho việc tách một trạm ra khỏi mạng hoặc thay thế một trạm trong khi cả hệ thống vẫn hoạt động bình thường.

Tuy nhiên việc dùng chung một đường dẫn đòi hỏi một phương pháp phân chia thời gian sử dụng thích hợp để tránh xung đột tín hiệu – gọi là phương pháp truy nhập môi trường hay truy nhập bus. Nguyên tắc truyền thông được thực hiện như sau: tại một thời điểm nhất định chỉ có một thành viên trong mạng được gửi tín hiệu, còn các thành viên khác chỉ có quyền nhận.

Ngoài việc cần phải kiểm soát truy nhập môi trường, cấu trúc bus có những nhược điểm sau:

Một tín hiệu gửi đi có thể tới tất cả các trạm và theo một trình tự không kiểm soát được, vì vậy phải thực hiện phương pháp gán địa chỉ (logic) theo kiểu thủ công cho từng trạm. Trong thực tế, công việc gán địa chỉ này gây ra không ít khó khăn.

Tất cả các trạm đều có khả năng phát và phải luôn luôn “nghe” đường dẫn để phát hiện ra một thông tin có phải gửi cho mình hay không, nên phải được thiết kế sao cho đủ tải với số trạm tối đa. Đây chính là lý do phải hạn chế số trạm trong một đoạn mạng. Khi cần mở rộng mạng, phải dùng thêm các bộ lặp.

Chiều dài dây dẫn thường tương đối dài, vì vậy đối với cấu trúc đường thẳng xảy ra hiện tượng phản xạ tại mỗi đầu dây làm giảm chất lượng của tín hiệu. Để khắc phục vấn đề này người ta chặn hai đầu dây bằng hai trở đầu cuối. Việc sử dụng các trở đầu cuối cũng làm tăng tải của hệ thống.

Trường hợp đường dẫn bị đứt, hoặc do ngắn mạch trong phần kết nối bus của một trạm bị hỏng đều dẫn đến ngừng hoạt động của cả hệ thống. Việc định vị lỗi ở đây cũng gặp rất nhiều khó khăn. Cấu trúc đường thẳng, liên kết đa điểm gây khó khăn trong việc áp dụng các công nghệ truyền tín hiệu mới như sử dụng cáp quang. Một số ví dụ mạng công nghiệp tiêu biểu có cấu trúc bus là PROFIBUS, CAN, WorldFIP, Foundation Fieldbus, LonWorks, AS-i và Ethernet.

Cấu trúc mạch vòng được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín. Mỗi thành viên đều tham gia tích cực vào việc kiểm soát dòng tín hiệu.

Khác với cấu trúc đường thẳng, ở đây tín hiệu được truyền đi theo một chiều quy định. Mỗi trạm nhận được dữ liệu từ trạm đứng trước và chuyển tiếp sang trạm lân cận đứng sau. Quá trình này được lặp lại tới khi dữ liệu quay trở về trạm đã gửi, nó sẽ được hủy bỏ.

Ưu điểm cơ bản của mạng cấu trúc theo kiểu này là mỗi một nút đồng thời có thể là một bộ khuếch đại, do vậy khi thiết kế mạng theo kiểu cấu trúc vòng có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm rất lớn. Mỗi trạm có khả năng vừa nhận vừa phát tín hiệu cùng một lúc. Bởi mỗi thành viên ngăn cách mạch vòng ra làm hai phần, và tín hiệu chỉ được truyền theo một chiều, nên biện pháp tránh xung đột tín hiệu thực hiện đơn giản hơn.

Với kiểu mạch vòng không có điều khiển trung tâm, các trạm đều bình đẳng như nhau trong quyền nhận và phát tín hiệu. Như vậy việc kiểm soát đường dẫn sẽ do các trạm tự phân chia. Với kiểu có điều khiển trung tâm, một trạm chủ sẽ đảm nhiệm vai trò kiểm soát việc truy nhập đường dẫn.

Cấu trúc mạch vòng thực chất dựa trên cơ sở liên kết điểm – điểm, vì vậy thích hợp cho việc sử dụng các phương tiện truyền tín hiệu hiện đại như cáp quang, tia hồng ngoại, v.v. Việc gán địa chỉ cho các thành viên trong mạng cũng có thể do một trạm chủ thực hiện một cách hoàn toàn tự động, căn cứ vào thứ tự sắp xếp vật lý của các trạm trong mạch vòng.

Một ưu điểm tiếp theo của cấu trúc mạch vòng là khả năng xác định vị trí xảy ra sự cố, ví dụ đứt dây hay một trạm ngừng làm việc. Tuy nhiên, sự hoạt động bình thường của mạng còn trong trường hợp này chỉ có thể tiếp tục với một đường dây dự phòng như ở FDDI. Hình dưới mô tả cách giải quyết trong trường hợp sự cố do đường dây (a) và sự cố tại một trạm (b).

Trong trường hợp thứ nhất, các trạm lân cận với điểm xảy ra sự cố sẽ tự phát hiện lỗi đường dây và tự động chuyển mạch sang đường dây phụ, đi vòng qua vị trí bị lỗi (bypass). Đường cong in nét đậm biểu diễn mạch kín sau khi dùng biện pháp bypass. Trong trường hợp thứ hai, khi một trạm bị hỏng, hai trạm lân cận sẽ tự đấu tắt, chuyển sang cấu hình giống như daisy-chain.

Một kỹ thuật khác được áp dụng xử lý sự cố tại một trạm là dùng các bộ chuyển mạch bypass tự động. Mỗi trạm thiết bị sẽ được đấu với mạch vòng nhờ bộ chuyển mạch này. Trong trường hợp sự cố xảy ra, bộ chuyển mạch sẽ tự động phát hiện và ngắn mạch, bỏ qua thiết bị được nối mạng qua nó.

Cấu trúc hình sao là một cấu trúc mạng có một trạm trung tâm quan trọng hơn tất cả các nút khác, nút này sẽ điều khiển hoạt động truyền thông của toàn mạng. Các thành viên khác được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm.

Tương tự như cấu trúc mạch vòng, có thể nhận thấy ở đây kiểu liên kết về mặt vật lý là điểm – điểm. Tuy nhiên, liên kết về mặt logic vẫn có thể là nhiều điểm. Nếu trạm trung tâm đóng vai trò tích cực, nó có thể đảm đương nhiệm vụ kiểm soát toàn bộ việc truyền thông của mạng, còn nếu không sẽ chỉ như một bộ chuyển mạch.

Một nhược điểm của cấu trúc hình sao là sự cố ở trạm trung tâm sẽ làm tê liệt toàn bộ các hoạt động truyền thông trong mạng. Vì vậy, trạm trung tâm thường phải có độ tin cậy rất cao. Người ta phân biệt giữa hai loại trạm trung tâm: trạm tích cực và trạm thụ động. Một trạm thụ động chỉ có vai trò trung chuyển thông tin, trong khi một trạm tích cực kiểm soát toàn bộ các hoạt động giao tiếp trong mạng.

Một nhược điểm tiếp theo của cấu trúc hình sao là tốn dây dẫn, nếu như khoảng trung bình giữa các trạm nhỏ hơn khoảng cách từ chúng tới trạm trung tâm. Đương nhiên, trong các hệ thống viễn thông không thể tránh khỏi phải dùng cấu trúc này. Đối với mạng truyền thông công nghiệp, cấu trúc hình sao tìm thấy trong các phạm vi nhỏ, ví dụ các bộ chia, thường dùng vào mục đích mở rộng các cấu trúc khác.

Lưu ý rằng, trong nhiều trường hợp một mạng cấu trúc hình sao về mặt vật lý lại có cấu trúc logic như một hệ bus, bởi các trạm vẫn có thể tự do liên lạc như không có sự tồn tại của trạm trung tâm. Chính các hệ thống mạng Ethernet công nghiệp ngày nay sử dụng phổ biến cấu trúc này kết hợp với kỹ thuật chuyển mạch và phương pháp truyền dẫn tốc độ cao.

Xem thêm: Các chế độ truyền tải của hệ thống mạng công nghiệp phổ biến