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工业以太网的冗余功能,如何保证网络的稳定性?

由于工业环境对工业控制网络可靠性能的超高要求,工业以太网的冗余功能应运而生。为了更好地帮助大家了解和学习工业以太网冗余技术的特点,让我们首先回顾以下以太网设备的发展过程。

作者:佚名来源:Cisco思科CCIE俱乐部|2019-02-27 14:59

由于工业环境对工业控制网络可靠性能的超高要求,工业以太网的冗余功能应运而生。从快速生成树冗余(RSTP)、环网冗余(RapidRing)到主干冗余(Trunking),都有各自不同的优势和特点,控制工程师们可以根据自己的要求进行选择。为了更好地帮助大家了解和学习工业以太网冗余技术的特点,让我们首先回顾以下以太网设备的发展过程。

工业以太网

1. 集线器

相信绝大多数人都熟悉集线器。很多人使用这种简易设备去连接各种基于以太网的设备,如个人计算机、可编程控制器等。集线器接收到来自某一端口的消息,再将消息广播到其他所有的端口。

对来自任一端口的每一条消息,集线器都会把它传递到其他的各个端口。在消息传递方面,集线器是低速低效的,可能会出现消息冲突。然而,集线器的使用非常简单——实际上可以即插即用。集线器没有任何华而不实的功能,也没有冗余功能。

2. 非管理型交换机

集线器的发展产生了一种叫非管理型交换机的设备。它能实现消息从一个端口到另一个端口的路由功能,相对集线器更加智能化。非管理型交换机能自动探测每台网络设备的网络速度。另外,它具有一种称为“MAC地址表”的功能,能识别和记忆网络中的设备。

换言之,如果端口2收到一条带有特定识别码的消息,此后交换机就会将所有具有那种特定识别码的消息发送到端口2。这种智能避免了消息冲突,提高了传输性能,相对集线器是一次巨大的改进。然而,非管理型交换机不能实现任何形式的通信检测和冗余配置功能。

3. 管理型交换机

以太网连接设备发展的下一代产品是管理型交换机。相对集线器和非管理型交换机,管理型交换机拥有更多更复杂的功能,价格也高出许多——通常是一台非管理型交换机的3~4倍。管理型交换机提供了更多的功能,通常可以通过基于网络的接口实现完全配置。它可以自动与网络设备交互,用户也可以手动配置每个端口的网速和流量控制。一些老设备可能无法使用自动交互功能,因此手动配置功能是必不可缺的。

绝大多数管理型交换机通常也提供一些高级功能,如用于远程监视和配置的SNMP(简单网络管理协议),用于诊断的端口映射,用于网络设备成组的VLAN(虚拟局域网),用于确保优先级消息通过的优先级排列功能等。利用管理型交换机,可以组建冗余网络。使用环形拓扑结构,管理型交换机可以组成环形网络。每台管理型交换机能自动判断最优传输路径和备用路径,当优先路径中断时自动阻断备用路径。

4. 管理型冗余交换机

高级的管理型冗余交换机提供了一些特殊的功能,特别是针对有稳定性、安全性方面严格要求的冗余系统进行了设计上的优化。构建冗余网络的主要方式主要有以下几种,STP、RSTP;环网冗余RapidRing

(1) STP及RSTP

STP(Spanning Tree Protocol,生成树算法,IEEE 802.1D),是一个链路层协议,提供路径冗余和阻止网络循环发生。它强令备用数据路径为阻塞(blocked)状态。如果一条路径有故障,该拓扑结构能借助激活备用路径重新配置及链路重构。网络中断恢复时间为30~60s之间。RSTP(快速生成树算法,IEEE 802.1w)作为STP的升级,将网络中断恢复时间,缩短到1~2s。生成树算法网络结构灵活,但也存在恢复速度慢的缺点。

(2) 环网冗余RapidRing

为了能满足工业控制网络实时性强的特点,RapidRing孕育而生。这是在以太网网络中使用环网提供高速冗余的一种技术。这个技术可以使网络在中断后300ms之内自行恢复。并可以通过交换机的出错继电连接、状态显示灯和SNMP设置等方法来提醒用户出现的断网现象。这些都可以帮助诊断环网什么地方出现断开。

RapidRing也支持两个连接在一起的环网,使网络拓朴更为灵活多样。两个环通过双通道连接,这些连接可以是冗余的,避免单个线缆出错带来的问题。

(3) 主干冗余Trunking

将不同交换机的多个端口设置为Trunking主干端口,并建立连接,则这些交换机之间可以形成一个高速的骨干链接。不但成倍的提高了骨干链接的网络带宽,增强了网络吞吐量,而且还还提供了另外一个功能,即冗余功能。

如果网络中的骨干链接产生断线等问题,那么网络中的数据会通过剩下的链接进行传递,保证网络的通讯正常。Trunking主干网络采用总线型和星型网络结构,理论通讯距离可以无限延长。该技术由于采用了硬件侦测及数据平衡的方法,所以使网络中断恢复时间达到了新的高度,一般恢复时间在10ms以下。

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【责任编辑:赵宁宁 TEL:(010)68476606】

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