以太網設備的發(fā)展過程及工業(yè)以太網冗余原理

由于工業(yè)環(huán)境對工業(yè)控制網絡可靠性能的超高要求，工業(yè)以太網的冗余功能應運而生。從快速生成樹冗余（RSTP）、環(huán)網冗余（RapidRing）到主干冗余（Trunking），都有各自不同的優(yōu)勢和特點，控制工程師們可以根據自己的要求進行選擇。

以太網設備的發(fā)展過程

1. 集線器

相信絕大多數人都熟悉集線器。很多人使用這種簡易設備去連接各種基于以太網的設備，如個人計算機、可編程控制器等。集線器接收到來自某一端口的消息，再將消息廣播到其他所有的端口。

對來自任一端口的每一條消息，集線器都會把它傳遞到其他的各個端口。在消息傳遞方面，集線器是低速低效的，可能會出現消息沖突。然而，集線器的使用非常簡單——實際上可以即插即用。集線器沒有任何華而不實的功能，也沒有冗余功能。

2. 非管理型交換機

集線器的發(fā)展產生了一種叫非管理型交換機的設備。它能實現消息從一個端口到另一個端口的路由功能，相對集線器更加智能化。非管理型交換機能自動探測每臺網絡設備的網絡速度。另外，它具有一種稱為“MAC地址表”的功能，能識別和記憶網絡中的設備。

換言之，如果端口2收到一條帶有特定識別碼的消息，此后交換機就會將所有具有那種特定識別碼的消息發(fā)送到端口2。這種智能避免了消息沖突，提高了傳輸性能，相對集線器是一次巨大的改進。然而，非管理型交換機不能實現任何形式的通信檢測和冗余配置功能。

3. 管理型交換機

以太網連接設備發(fā)展的下一代產品是管理型交換機。相對集線器和非管理型交換機，管理型交換機擁有更多更復雜的功能，價格也高出許多——通常是一臺非管理型交換機的3～4倍。管理型交換機提供了更多的功能，通常可以通過基于網絡的接口實現完全配置。它可以自動與網絡設備交互，用戶也可以手動配置每個端口的網速和流量控制。一些老設備可能無法使用自動交互功能，因此手動配置功能是必不可缺的。

絕大多數管理型交換機通常也提供一些高級功能，如用于遠程監(jiān)視和配置的SNMP（簡單網絡管理協(xié)議），用于診斷的端口映射，用于網絡設備成組的VLAN（虛擬局域網），用于確保優(yōu)先級消息通過的優(yōu)先級排列功能等。利用管理型交換機，可以組建冗余網絡。使用環(huán)形拓撲結構，管理型交換機可以組成環(huán)形網絡。每臺管理型交換機能自動判斷***傳輸路徑和備用路徑，當優(yōu)先路徑中斷時自動阻斷備用路徑。

4. 管理型冗余交換機

高級的管理型冗余交換機提供了一些特殊的功能，特別是針對有穩(wěn)定性、安全性方面嚴格要求的冗余系統(tǒng)進行了設計上的優(yōu)化。構建冗余網絡的主要方式主要有以下幾種，STP、RSTP;環(huán)網冗余RapidRing

（1） STP及RSTP

STP（Spanning Tree Protocol，生成樹算法，IEEE 802.1D），是一個鏈路層協(xié)議，提供路徑冗余和阻止網絡循環(huán)發(fā)生。它強令備用數據路徑為阻塞（blocked）狀態(tài)。如果一條路徑有故障，該拓撲結構能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構。網絡中斷恢復時間為30~60s之間。RSTP（快速生成樹算法，IEEE 802.1w）作為STP的升級，將網絡中斷恢復時間，縮短到1~2s。生成樹算法網絡結構靈活，但也存在恢復速度慢的缺點。

（2）環(huán)網冗余RapidRing

為了能滿足工業(yè)控制網絡實時性強的特點，RapidRing孕育而生。這是在以太網網絡中使用環(huán)網提供高速冗余的一種技術。這個技術可以使網絡在中斷后300ms之內自行恢復。并可以通過交換機的出錯繼電連接、狀態(tài)顯示燈和SNMP設置等方法來提醒用戶出現的斷網現象。這些都可以幫助診斷環(huán)網什么地方出現斷開。

RapidRing也支持兩個連接在一起的環(huán)網，使網絡拓樸更為靈活多樣。兩個環(huán)通過雙通道連接，這些連接可以是冗余的，避免單個線纜出錯帶來的問題。

（3）主干冗余Trunking

將不同交換機的多個端口設置為Trunking主干端口，并建立連接，則這些交換機之間可以形成一個高速的骨干鏈接。不但成倍的提高了骨干鏈接的網絡帶寬，增強了網絡吞吐量，而且還還提供了另外一個功能，即冗余功能。

如果網絡中的骨干鏈接產生斷線等問題，那么網絡中的數據會通過剩下的鏈接進行傳遞，保證網絡的通訊正常。Trunking主干網絡采用總線型和星型網絡結構，理論通訊距離可以***延長。該技術由于采用了硬件偵測及數據平衡的方法，所以使網絡中斷恢復時間達到了新的高度，一般恢復時間在10ms以下。

工業(yè)以太網冗余原理

A.廣播風暴

B.同一幀的多份拷貝

C.不穩(wěn)定的MAC地址表

因此，在交換網絡中必須有一個機制來阻止回路。

2、生成樹協(xié)議

生成樹協(xié)議就是IT界中常用的機制。生成樹協(xié)議是一種橋嵌套協(xié)議，在IEEE 802.1d規(guī)范里定義，可以用來消除橋回路。它的工作原理是這樣的：生成樹協(xié)議定義了一個數據包，叫做橋協(xié)議數據單元BPDU（Bridge Protocol Data Unit）。網橋用BPDU來相互通信，并用BPDU的相關機能來動態(tài)選擇根橋和備份橋。但是因為從中心橋到任何網段只有一個路徑存在，所以橋回路被消除。

在一個生成樹環(huán)境里，橋不會立即開始轉發(fā)功能，它們必須首先選擇一個橋為根橋，然后建立一個指定路徑。在一個網絡里邊擁有最低橋ID的將變成一個根橋，全部的生成樹網絡里面只有一個根橋。根橋的主要職責是定期發(fā)送配置信息，然后這種配置信息將會被所有的指定橋發(fā)送。這在生成樹網絡里面是一種機制，一旦網絡結構發(fā)生變化，網絡狀態(tài)將會重新配置。

當選定根橋之后，在轉發(fā)數據包之前，它們必須決定每一個網段的指定橋，運用生成樹的這種算法，根橋每隔2秒鐘從它所有的端口發(fā)送BPDU包控制工程網版權所有，BPDU包被所有的橋從它們的根端口復制過來，根端口是接根橋的那些橋端口。BPDU包括的信息叫做端口的COST，網絡管理員分配端口的COST到所有的橋端口，當根橋發(fā)送BPDU的時候，根橋設置它的端口值為零。然后沿著這條路徑，下一個橋增加它的配置端口COST為一個值，這個值是它接收和轉發(fā)數據包到下一個網段的值。這樣每一個橋都增加它的端口的COST值為它所接收的BPDU的包的COST值，所有的橋都檢測它們的端口的COST值，擁有最低端口的COST值的橋就變?yōu)榱酥付ǖ臉?。擁有比較高端口COST值的橋置它的端口進入阻塞狀態(tài)，變?yōu)榱藗浞輼?。在阻塞狀態(tài)，一個橋停止了轉發(fā)，但是它會繼續(xù)接收和處理BPDU數據包。

IEEE 802.1D規(guī)范包括了生成樹算法（Spanning Tree Algorithm，STA），這是一種確保轉發(fā)循環(huán)永遠不會發(fā)生的機制。STA使用網橋協(xié)議數據單元（Bridge Protocol Data Units，BPDU），自動配置網橋上處于轉發(fā)或阻塞狀態(tài)的獨立端口。BPDU是網橋發(fā)送到一個已保存的多播MAC地址（對于以太網，這個地址是01-80-C2-00-00-00）的消息，所有透明網橋都會偵聽該地址。在阻塞狀態(tài)下，端口不會獲悉或轉發(fā)已接收到的幀。STA的最終結果是一個無循環(huán)的橋接環(huán)境，不管局域網網段拓撲結構是否改變，這個環(huán)境總是一直存在。生成樹算法，決定了網絡鏈路故障恢復時間，最少不低于15秒。

生成樹的狀態(tài)：

運行生成樹協(xié)議的交換機上的端口，總是處于下面五個狀態(tài)中的一個：

阻塞：所有端口以阻塞狀態(tài)啟動以防止回路，由生成樹確定哪個端口切換為轉發(fā)狀態(tài)，處于阻塞狀態(tài)的端口不轉發(fā)數據幀但可接受BPDU。

監(jiān)聽：不轉發(fā)數據幀，但檢測BPDU（臨時狀態(tài)）。

學習：不轉發(fā)數據幀，但學習MAC地址表（臨時狀態(tài)）。

轉發(fā)：可以傳送和接受數據數據幀。

禁用：通常由于端口故障或交換機配置錯誤引起。

3、Supreme-Ring協(xié)議

Supreme-Ring協(xié)議是在工業(yè)以太網使用的冗余機制。Supreme-Ring協(xié)議和生成樹協(xié)議有點相似，Supreme-Ring協(xié)議也定義了一種數據包，稱為HELLO包，又稱為WD包（Watch Dog Packets）。交換機之間用HELLO包通信，在主交換機上動態(tài)選擇主鏈路和備份鏈路。但是因為從中心橋到任何網段只有一個路徑存在，所以橋回路被消除。

在工業(yè)冗余環(huán)網網絡環(huán)境里，交換機不會立即開始轉發(fā)功能，主交換機（Local）由手動指定，選擇主鏈路和備份鏈路建立一個指定路徑，由Supreme-Ring協(xié)議自動指定。一個工業(yè)冗余環(huán)網網絡里面只能有一個主交換機（Local）。主交換機（Local）會定期發(fā)送配置信息，這種配置信息將會被所有的從交換機（Remote）發(fā)送。一旦網絡結構發(fā)生變化，網絡狀態(tài)將會重新配置。

當指定主交換機（Local）之后，在轉發(fā)數據包之前，所有端口都以阻塞方式啟動。運用Supreme-Ring算法，主交換機（Local）選擇最低COST值的端口作為主鏈路，另一條COST值高的端口作為備份鏈路。備份鏈路不轉發(fā)數據，只接收和處理HELLO包，處于熱備（Hot Standby）狀態(tài)。從交換機（Remote）沒有主鏈路和備份鏈路的區(qū)別。Supreme-Ring協(xié)議是一種簡潔高效的冗余協(xié)議，能夠保證環(huán)網在鏈路故障時，在300ms之內恢復網絡通信。

Supreme-Ring的狀態(tài)：

運行Supreme-Ring協(xié)議的交換機上的端口，總是處于下面四個狀態(tài)中的一個：

阻塞：所有端口以阻塞狀態(tài)啟動以防止回路，處于阻塞狀態(tài)的端口不轉發(fā)數據幀但可接受HELLO包。

熱備：不轉發(fā)數據幀，但學習MAC地址表，在主鏈路故障時，在300ms之內，立刻進入轉發(fā)狀態(tài)。

轉發(fā)：可以傳送和接受數據數據幀。

禁用：通常由于端口故障或交換機配置錯誤引起。

4、結束語

工業(yè)網絡環(huán)境需要快速反應冗余機制，生成樹協(xié)議的15秒恢復時間，不能滿足工業(yè)環(huán)境要求。只有采用Supreme-Ring協(xié)議才是工業(yè)網絡環(huán)境的最佳冗余機制。

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