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工業以太網聯網設備概述
機電之家
摘要: 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
Abstract:
Key words :

由于工業" title="工業">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" title="以太網">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。為了更好地幫助大家了解和學習工業以太網冗余技術的特點,讓我們首先回顧以下以太網設備" title="設備">設備的發展過程。

   圖1:采用STP或RSTP技術通過管理型交換機實現冗余網絡。

  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。

   圖2:用管理型交換機實現RapidRingTM環網連接,網絡中斷恢復時間小于300ms。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。

  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最優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。

  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?約癟runking?

  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。

   圖3:用管理型交換機實現主干連接,網絡中斷恢復時間小于10ms。

  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,理論通訊距離可以無限延長。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。

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