工業(yè)以太網(wǎng)的冗余功能
2021.07.05由于工業(yè)環(huán)境對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求很高，因此工業(yè)以太網(wǎng)的冗余功能應(yīng)運(yùn)而生。從快速生成樹冗余(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)，控制工程師可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行選擇。
集線器
很多人都用過(guò)這種簡(jiǎn)易設(shè)備去連接各種基于以太網(wǎng)的設(shè)備，比如個(gè)人計(jì)算機(jī)、可編程控制器等，集線器受到來(lái)自某一端口的消息之后，就會(huì)將消息廣播到其他端口。
來(lái)自任何一個(gè)端口的消息都會(huì)被集線器傳遞到其他端口。在消息傳遞方面，集線器效率低，可能會(huì)出現(xiàn)消息的沖突。然而，集線器的使用時(shí)非常方便的，即插即用。集線器沒有華而不實(shí)的功能，也沒有冗余功能。
非管理型交換機(jī)
從集線器發(fā)展出一種叫做非管理型交換機(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。
也就是說(shuō)，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)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。這樣就可以避免消息沖突，提高傳輸性能，相對(duì)集線器上一次進(jìn)步。然而，非管理型交換器不能實(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)。前兩代產(chǎn)品而言，管理型交換機(jī)已經(jīng)具備很多復(fù)雜的功能，造價(jià)也更昂貴，通常是一臺(tái)非管理型機(jī)器的3-4倍。管理型交換機(jī)可以通過(guò)基于網(wǎng)絡(luò)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，也可以通過(guò)手動(dòng)配置每個(gè)端口的網(wǎng)速和流量控制。
絕大多數(shù)管理型交換機(jī)通常也能提供一些高級(jí)功能，比如遠(yuǎn)程監(jiān)視和配置的SNMP(簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)，用于診斷端口映射和確保優(yōu)先級(jí)消息通過(guò)等排列功能。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)，管理交換機(jī)可以組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。
管理型冗余交換機(jī)
高級(jí)管理型冗余交換機(jī)在穩(wěn)定性、安全性等方面進(jìn)行了榮譽(yù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的優(yōu)化。構(gòu)建冗余網(wǎng)絡(luò)的主要方式有以下幾種，STP、RSTP;環(huán)網(wǎng)冗余RapidRing。
1. STP及RSTP
STP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。他強(qiáng)令備用數(shù)據(jù)路徑為阻塞狀態(tài)。如果有一條路徑有故障，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠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。生成樹算法網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活，但其恢復(fù)速度比較慢。
2. 環(huán)網(wǎng)冗余RapidRing
為了能夠滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，RapidRing孕育而生。這死在以太網(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內(nèi)自動(dòng)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。
RapidRing也支持兩個(gè)連在一起的環(huán)網(wǎng)，使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓鼮殪`活多樣，兩個(gè)環(huán)通過(guò)雙通道連接，這些連接可以使冗余，避免單個(gè)線纜出錯(cuò)帶帶來(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)寬帶，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，還能提供冗余功能。
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)和數(shù)據(jù)平衡方法，所以網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時(shí)間進(jìn)一步縮短，時(shí)間一般在10ms以下。
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