以太网设备的发展过程及工业以太网冗余原理

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。

以太网设备的发展过程

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***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***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。

工业以太网冗余原理

在一个桥接的局域网里，为了增强可靠性控制工程网版权所有，必然要建立一个冗余的路径，网段会用冗余的网桥连接。但是，在一个透明桥桥接的网络里，存在冗余的路径就能建立一个桥回路，桥回路对于一个局域网是致命的。它会带来如下问题：

A.广播风暴

B.同一帧的多份拷贝

C.不稳定的MAC地址表

因此，在交换网络中必须有一个机制来阻止回路。

2、生成树协议

生成树协议就是IT界中常用的机制。生成树协议是一种桥嵌套协议，在IEEE 802.1d规范里定义，可以用来消除桥回路。它的工作原理是这样的：生成树协议定义了一个数据包，叫做桥协议数据单元BPDU（Bridge Protocol Data Unit）。网桥用BPDU来相互通信，并用BPDU的相关机能来动态选择根桥和备份桥。但是因为从中心桥到任何网段只有一个路径存在，所以桥回路被消除。

在一个生成树环境里，桥不会立即开始转发功能，它们必须首先选择一个桥为根桥，然后建立一个指定路径。在一个网络里边拥有最低桥ID的将变成一个根桥，全部的生成树网络里面只有一个根桥。根桥的主要职责是定期发送配置信息，然后这种配置信息将会被所有的指定桥发送。这在生成树网络里面是一种机制，一旦网络结构发生变化，网络状态将会重新配置。

当选定根桥之后，在转发数据包之前，它们必须决定每一个网段的指定桥，运用生成树的这种算法，根桥每隔2秒钟从它所有的端口发送BPDU包控制工程网版权所有，BPDU包被所有的桥从它们的根端口复制过来，根端口是接根桥的那些桥端口。BPDU包括的信息叫做端口的COST，网络管理员分配端口的COST到所有的桥端口，当根桥发送BPDU的时候，根桥设置它的端口值为零。然后沿着这条路径，下一个桥增加它的配置端口COST为一个值，这个值是它接收和转发数据包到下一个网段的值。这样每一个桥都增加它的端口的COST值为它所接收的BPDU的包的COST值，所有的桥都检测它们的端口的COST值，拥有最低端口的COST值的桥就变为了指定的桥。拥有比较高端口COST值的桥置它的端口进入阻塞状态，变为了备份桥。在阻塞状态，一个桥停止了转发，但是它会继续接收和处理BPDU数据包。

IEEE 802.1D规范包括了生成树算法（Spanning Tree Algorithm，STA），这是一种确保转发循环永远不会发生的机制。STA使用网桥协议数据单元（Bridge Protocol Data Units，BPDU），自动配置网桥上处于转发或阻塞状态的独立端口。BPDU是网桥发送到一个已保存的多播MAC地址（对于以太网，这个地址是01-80-C2-00-00-00）的消息，所有透明网桥都会侦听该地址。在阻塞状态下，端口不会获悉或转发已接收到的帧。STA的最终结果是一个无循环的桥接环境，不管局域网网段拓扑结构是否改变，这个环境总是一直存在。生成树算法，决定了网络链路故障恢复时间，最少不低于15秒。

生成树的状态：

运行生成树协议的交换机上的端口，总是处于下面五个状态中的一个：

阻塞：所有端口以阻塞状态启动以防止回路，由生成树确定哪个端口切换为转发状态，处于阻塞状态的端口不转发数据帧但可接受BPDU。

监听：不转发数据帧，但检测BPDU（临时状态）。

学习：不转发数据帧，但学习MAC地址表（临时状态）。

转发：可以传送和接受数据数据帧。

禁用：通常由于端口故障或交换机配置错误引起。

3、Supreme-Ring协议

Supreme-Ring协议是在工业以太网使用的冗余机制。Supreme-Ring协议和生成树协议有点相似，Supreme-Ring协议也定义了一种数据包，称为HELLO包，又称为WD包（Watch Dog Packets）。交换机之间用HELLO包通信，在主交换机上动态选择主链路和备份链路。但是因为从中心桥到任何网段只有一个路径存在，所以桥回路被消除。

在工业冗余环网网络环境里，交换机不会立即开始转发功能，主交换机（Local）由手动指定，选择主链路和备份链路建立一个指定路径，由Supreme-Ring协议自动指定。一个工业冗余环网网络里面只能有一个主交换机（Local）。主交换机（Local）会定期发送配置信息，这种配置信息将会被所有的从交换机（Remote）发送。一旦网络结构发生变化，网络状态将会重新配置。

当指定主交换机（Local）之后，在转发数据包之前，所有端口都以阻塞方式启动。运用Supreme-Ring算法，主交换机（Local）选择最低COST值的端口作为主链路，另一条COST值高的端口作为备份链路。备份链路不转发数据，只接收和处理HELLO包，处于热备（Hot Standby）状态。从交换机（Remote）没有主链路和备份链路的区别。Supreme-Ring协议是一种简洁高效的冗余协议，能够保证环网在链路故障时，在300ms之内恢复网络通信。

Supreme-Ring的状态：

运行Supreme-Ring协议的交换机上的端口，总是处于下面四个状态中的一个：

阻塞：所有端口以阻塞状态启动以防止回路，处于阻塞状态的端口不转发数据帧但可接受HELLO包。

热备：不转发数据帧，但学习MAC地址表，在主链路故障时，在300ms之内，立刻进入转发状态。

转发：可以传送和接受数据数据帧。

禁用：通常由于端口故障或交换机配置错误引起。

4、结束语

工业网络环境需要快速反应冗余机制，生成树协议的15秒恢复时间，不能满足工业环境要求。只有采用Supreme-Ring协议才是工业网络环境的最佳冗余机制。