以太網設備的發展過程及工業以太網冗余原理

由于工業環境對工業控制網絡可靠性能的超高要求，工業以太網的冗余功能應運而生。從快速生成樹冗余（RSTP）、環網冗余（RapidRing）到主干冗余（Trunking），都有各自不同的優勢和特點，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，如用于遠程監視和配置的SNMP（簡單網絡管理協議），用于診斷的端口映射，用于網絡設備成組的VLAN（虛擬局域網），用于確保優先級消息通過的優先級排列功能等。利用管理型交換機，可以組建冗余網絡。使用環形拓撲結構，管理型交換機可以組成環形網絡。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，特別是針對有穩定性、安全性方面嚴格要求的冗余系統進行了設計上的優化。構建冗余網絡的主要方式主要有以下幾種，STP、RSTP;環網冗余RapidRing

（1） STP及RSTP

STP（Spanning Tree Protocol，生成樹算法，IEEE 802.1D），是一個鏈路層協議，提供路徑冗余和阻止網絡循環發生。它強令備用數據路徑為阻塞（blocked）狀態。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）環網冗余RapidRing

為了能滿足工業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網什么地方出現斷開。

RapidRing也支持兩個連接在一起的環網，使網絡拓樸更為靈活多樣。兩個環通過雙通道連接，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。

工業以太網冗余原理

A.廣播風暴

B.同一幀的多份拷貝

C.不穩定的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、生成樹協議

生成樹協議就是IT界中常用的機制。生成樹協議是一種橋嵌套協議，在IEEE 802.1d規范里定義，可以用來消除橋回路。它的工作原理是這樣的：生成樹協議定義了一個數據包，叫做橋協議數據單元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。

在一個生成樹環境里，橋不會立即開始轉發功能，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送配置信息，然后這種配置信息將會被所有的指定橋發送。這在生成樹網絡里面是一種機制，一旦網絡結構發生變化，網絡狀態將會重新配置。

當選定根橋之后，在轉發數據包之前，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值的橋就變為了指定的橋。擁有比較高端口COST值的橋置它的端口進入阻塞狀態，變為了備份橋。在阻塞狀態，一個橋停止了轉發，但是它會繼續接收和處理BPDU數據包。

IEEE 802.1D規范包括了生成樹算法（Spanning Tree Algorithm，STA），這是一種確保轉發循環永遠不會發生的機制。STA使用網橋協議數據單元（Bridge Protocol Data Units，BPDU），自動配置網橋上處于轉發或阻塞狀態的獨立端口。BPDU是網橋發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。在阻塞狀態下，端口不會獲悉或轉發已接收到的幀。STA的最終結果是一個無循環的橋接環境，不管局域網網段拓撲結構是否改變，這個環境總是一直存在。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：

運行生成樹協議的交換機上的端口，總是處于下面五個狀態中的一個：

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

監聽：不轉發數據幀，但檢測BPDU（臨時狀態）。

學習：不轉發數據幀，但學習MAC地址表（臨時狀態）。

轉發：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協議

Supreme-Ring協議是在工業以太網使用的冗余機制。Supreme-Ring協議和生成樹協議有點相似，Supreme-Ring協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。

在工業冗余環網網絡環境里，交換機不會立即開始轉發功能，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協議自動指定。一個工業冗余環網網絡里面只能有一個主交換機（Local）。主交換機（Local）會定期發送配置信息，這種配置信息將會被所有的從交換機（Remote）發送。一旦網絡結構發生變化，網絡狀態將會重新配置。

當指定主交換機（Local）之后，在轉發數據包之前，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。備份鏈路不轉發數據，只接收和處理HELLO包，處于熱備（Hot Standby）狀態。從交換機（Remote）沒有主鏈路和備份鏈路的區別。Supreme-Ring協議是一種簡潔高效的冗余協議，能夠保證環網在鏈路故障時，在300ms之內恢復網絡通信。

Supreme-Ring的狀態：

運行Supreme-Ring協議的交換機上的端口，總是處于下面四個狀態中的一個：

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

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

轉發：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

工業網絡環境需要快速反應冗余機制，生成樹協議的15秒恢復時間，不能滿足工業環境要求。只有采用Supreme-Ring協議才是工業網絡環境的最佳冗余機制。

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