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冗余
工業(yè)以太網(wǎng)
- 摘要：由于工業(yè)環(huán)境對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)可靠性能的超高要求，工業(yè)以太網(wǎng)的冗余功能應(yīng)運(yùn)而生。從快速生成樹(shù)冗余(RSTP)、環(huán)網(wǎng)冗余（RapidRing）到主干冗余（Trunking），都有各自不同的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)
報(bào)警、串口使用、主干（TrunkingTM）冗余、環(huán)網(wǎng)冗余、服務(wù)質(zhì)量（QoS）、虛擬局域網(wǎng)（VLAN）、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）、端口鏡像等其他工業(yè)以太網(wǎng)管理交換機(jī)中可以提供的功能。不同的控制系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的管理功能要求不同，自然對(duì)管理型交換機(jī)的使用也有不同要求。控制工程師們應(yīng)該根據(jù)其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，挑選適合自己系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品。
由于工業(yè)環(huán)境對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)可靠性能的超高要求，工業(yè)以太網(wǎng)的冗余功能應(yīng)運(yùn)而生。從快速生成樹(shù)冗余(RSTP)、環(huán)網(wǎng)冗余（RapidRing）到主干冗余（Trunking），都有各自不同的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，控制工程師們可以根據(jù)自己的要求進(jìn)行選擇。為了更好地幫助大家了解和學(xué)習(xí)工業(yè)以太網(wǎng)冗余技術(shù)的特點(diǎn)，讓我們首先回顧以下以太網(wǎng)設(shè)備的發(fā)展過(guò)程。
集線器
相信絕大多數(shù)人都熟悉集線器。很多人使用這種簡(jiǎn)易設(shè)備去連接各種基于以太網(wǎng)的設(shè)備，如個(gè)人計(jì)算機(jī)、可編程控制器等。集線器接收到來(lái)自某一端口的消息，再將消息廣播到其他所有的端口。對(duì)來(lái)自任一端口的每一條消息，集線器都會(huì)把它傳遞到其他的各個(gè)端口。在消息傳遞方面，集線器是低速低效的，可能會(huì)出現(xiàn)消息沖突。然而，集線器的使用非常簡(jiǎn)單——實(shí)際上可以即插即用。集線器沒(méi)有任何華而不實(shí)的功能，也沒(méi)有冗余功能。
非管理型交換機(jī)
集線器的發(fā)展產(chǎn)生了一種叫非管理型交換機(jī)的設(shè)備。它能實(shí)現(xiàn)消息從一個(gè)端口到另一個(gè)端口的路由功能，相對(duì)集線器更加智能化。非管理型交換機(jī)能自動(dòng)探測(cè)每臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)速度。另外，它具有一種稱為“MAC地址表”的功能，能識(shí)別和記憶網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。換言之，如果端口2收到一條帶有特定識(shí)別碼的消息，此后交換機(jī)就會(huì)將所有具有那種特定識(shí)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(duì)集線器是一次巨大的改進(jìn)。然而，非管理型交換機(jī)不能實(shí)現(xiàn)任何形式的通信檢測(cè)和冗余配置功能。
管理型交換機(jī)
以太網(wǎng)連接設(shè)備發(fā)展的下一代產(chǎn)品是管理型交換機(jī)。相對(duì)集線器和非管理型交換機(jī)，管理型交換機(jī)擁有更多更復(fù)雜的功能，價(jià)格也高出許多——通常是一臺(tái)非管理型交換機(jī)的3～4倍。管理型交換機(jī)提供了更多的功能，通常可以通過(guò)基于網(wǎng)絡(luò)的接口實(shí)現(xiàn)完全配置。它可以自動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交互，用戶也可以手動(dòng)配置每個(gè)端口的網(wǎng)速和流量控制。一些老設(shè)備可能無(wú)法使用自動(dòng)交互功能，因此手動(dòng)配置功能是必不可缺的。
絕大多數(shù)管理型交換機(jī)通常也提供一些高級(jí)功能，如用于遠(yuǎn)程監(jiān)視和配置的SNMP（簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議），用于診斷的端口映射，用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成組的VLAN（虛擬局域網(wǎng)），用于確保優(yōu)先級(jí)消息通過(guò)的優(yōu)先級(jí)排列功能等。利用管理型交換機(jī)，可以組建冗余網(wǎng)絡(luò)。使用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，管理型交換機(jī)可以組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。每臺(tái)管理型交換機(jī)能自動(dòng)判斷最優(yōu)傳輸路徑和備用路徑，當(dāng)優(yōu)先路徑中斷時(shí)自動(dòng)阻斷備用路徑。
管理型冗余交換機(jī)
高級(jí)的管理型冗余交換機(jī)提供了一些特殊的功能，特別是針對(duì)有穩(wěn)定性、安全性方面嚴(yán)格要求的冗余系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)上的優(yōu)化。構(gòu)建冗余網(wǎng)絡(luò)的主要方式主要有以下幾種，STP、RSTP；環(huán)網(wǎng)冗余RapidRing
1.STP及RSTP
STP（Spanning Tree Protocol，生成樹(shù)算法，IEEE 802.1D），是一個(gè)鏈路層協(xié)議，提供路徑冗余和阻止網(wǎng)絡(luò)循環(huán)發(fā)生。它強(qiáng)令備用數(shù)據(jù)路徑為阻塞（blocked）狀態(tài)。如果一條路徑有故障，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時(shí)間為30~60s之間。RSTP（快速生成樹(shù)算法，IEEE 802.1w）作為STP的升級(jí)，將網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時(shí)間，縮短到1~2s。生成樹(shù)算法網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活，但也存在恢復(fù)速度慢的缺點(diǎn)。
2.環(huán)網(wǎng)冗余RapidRing
為了能滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，RapidRing孕育而生。這是在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中使用環(huán)網(wǎng)提供高速冗余的一種技術(shù)。這個(gè)技術(shù)可以使網(wǎng)絡(luò)在中斷后300ms之內(nèi)自行恢復(fù)。并可以通過(guò)交換機(jī)的出錯(cuò)繼電連接、狀態(tài)顯示燈和SNMP設(shè)置等方法來(lái)提醒用戶出現(xiàn)的斷網(wǎng)現(xiàn)象。這些都可以幫助診斷環(huán)網(wǎng)什么地方出現(xiàn)斷開(kāi)。
RapidRing也支持兩個(gè)連接在一起的環(huán)網(wǎng)，使網(wǎng)絡(luò)拓樸更為靈活多樣。兩個(gè)環(huán)通過(guò)雙通道連接，這些連接可以是冗余的，避免單個(gè)線纜出錯(cuò)帶來(lái)的問(wèn)題。
3.主干冗余Trunking
將不同交換機(jī)的多個(gè)端口設(shè)置為Trunking主干端口，并建立連接，則這些交換機(jī)之間可以形成一個(gè)高速的骨干鏈接。不但成倍的提高了骨干鏈接的網(wǎng)絡(luò)帶寬，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，而且還還提供了另外一個(gè)功能，即冗余功能。如果網(wǎng)絡(luò)中的骨干鏈接產(chǎn)生斷線等問(wèn)題，那么網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)剩下的鏈接進(jìn)行傳遞，保證網(wǎng)絡(luò)的通訊正常。Trunking主干網(wǎng)絡(luò)采用總線型和星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，理論通訊距離可以無(wú)限延長(zhǎng)。該技術(shù)由于采用了硬件偵測(cè)及數(shù)據(jù)平衡的方法，所以使網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時(shí)間達(dá)到了新的高度，一般恢復(fù)時(shí)間在10ms以下。
