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西门子Scalance X工业以太网交换机----千兆以太工业环网的应用及探讨

供稿:houzhipeng79 2012/9/4 17:21:53

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  • 关键词: 千兆工业以态环网 环网冗余
  • 摘要:本文阐述了千兆工业以太环网相对于传统网络的优势,详细介绍了千兆以态环网的冗余原理和机制,并对环网冗余、切换起关键作用的数据帧和相关协议做了详细分析。最后以西门子SCALANCE X系列交换机为例,介绍了千兆以态环网在实际生产中的应用情况,并结合实际对工业环网的发展提出了见解。

0.引言:

工业以态网已成熟地应用于各种工业控制系统中,由于工业控制系统对网络可靠性、安全性的要求,改变原来星型或总线型的网络结构为具有冗余功能的环型结构已是一种必然的趋势。在控制点多、数据量大、分布广、可靠性要求高的控制系统中应用具有冗余功能的千兆以太工业环网,对系统性能的提升具有很大意义。

 

1.千兆工业以态环网的优势


在通常的工业以态网结构中,当发生传输介质损坏或有交换机发生意外停机时,会导致信息传输的中断。而采用了环网技术时,当单点发生故障时,就可切换到备用路由,大大提升了系统的可靠性(图一)。而从设备成本的角度考虑,只需在原有系统基础上增加了一条路由的费用,这种少量的投资,就能使系统可靠性大大提高。从系统设计和配置的角度看,简单只需开启工业交换机的环冗余功能,并不影响所有的正常的交换功能。而且现在大多数厂家的千兆换网交换机能够在300ms内完成切换,这种切换的速度满足大多数工业控制对交换机的响应速度要求。就传输介质来说千兆工业以太环网既可以用光线也可以用双绞线进行组网,具有极大的灵活性。因此在系统中应用千兆工业以态环网,以很小的投资提供更可靠的网络服务,解决了控制系统物理传输线路及传输链路所存在的不可靠因素,提高了系统传输的抗干扰能力。同时可以实时地通过监控软件监视网络状态,降低了系统巡检时间,从而从根本上提高了系统的稳定性、实时性

 

2.千兆工业以态环网的基本技术及切换方式

以态网的冗余技术包含自愈保护和恢复两个过程。保护是指在故障发生前为网络指定了备用路由,一旦发生原路由不通的情况立即启用备用路由,从而实现在故障发生时的快速自愈。而恢复是指在启用备用路由后,在原由路由恢复后系统可自动侦测到原有路由,并且恢复到原由状态。广泛应用到生产中的主要有环网冗余技术和HSRP协议即热备份路由协议。环网冗余技术一是以RFC3619协议为基础的EAPS(ethernet automatic protection switch)技术;另一个就是以IEEE 80217为基础的RPR (resilient packetring,弹性分组环)技术,本文主要讨论前者。

以太环网的基本标准是国际标准化组织IETF制定的以太自动保护倒换(RFC 3619EAPSEthernet Automatic Protection Switching)协议。EAPS保护技术已经被众多设备制造商实现,并衍生出多个私有技术。核心思想都是基于标准MAC交换+改进的生成树算法+以太网故障检测机制+简单的环网控制协议。通过环网控制协议将物理的环破 解成逻辑的链,并利用改进的生成树协议和MAC交换完成保护切换。西门子工业交换机的快速冗余环网技术(HSR)也是基于此协议实现的,其以太环网控制帧的结构如下:

目的MAC地址(6字节)

MAC地址(6字节)

类型(Ether Type)(TPID

PRI + CFI + VLAN ID

帧长度(Frame Length

DSAP/SSAP

CONTROL

OUI = 0x00E02B

0x00BB

0x99

0x0B

ESRP_LENGTH

VER

TYPE

CTRL_VLAN_ID

0x0000

0x0000

SYSTEM_MAC_ADDR(高4字节)

2字节

HELLO_TIMER

FAIL_TIMER

STATE

0x00

HELLO_SEQ

0x0000

RESERVED0x000000000000

其中 CTRL_VLAN_IDEAPS Type (EAPSTYPE) valuesSTATE values三个子段需要注意。
CTRL_VLAN_IDEthernet帧头中的VLAN ID不是“冗余信息”,尽管它们通常是相同的,但属于不同的子层。Ethernet帧头中的VLAN ID由以太LLC子层处理,以太环网信令PDU中的CTRL_VLAN_ID由以太环网信令模块处理。为了简化模块间的接口,基本的上下子层接口是不带VLAN信息的,所以IETF论坛讨论RFC3619时,保留了PDU中的CTRL_VLAN_ID字段,使得PDU所包含的信息完整,以太环网信令模块对其它子层的依赖最小。
EAPS Type 字段有4种状态,当其为5时说明环正常工作,为6时说明环这个方向切换为启动状态,为7时说明环这个方向切换为连接关闭状态,为8时说明环处于断开状态。
STATE values字段为返回时的字段,0为空闲,1为完成,2为失败,3为启动连接,4为连接断开,5为准备状态。
2.2 环网的切换机制

在环上以一台交换机作为环管理交换机RM ,从RM结点的主、辅两个接口均发送健全探测消息,其他节点在从环接口上收到健全探测消息则反射回去,从而达到对环网的冗余控制。环的状态可分为,正常状态、切换状态和冗余状态。

在正常状态时EAPS Type置为5STATE values置为0RM上主辅端口分别发出控制帧,到达其他结点后返回一个EAPS Type置为5STATE values置为0的控制帧,所有交换机的MAC地址表得以更新。辅端口处于阻断状态。


当介质损坏时,断裂的处相邻的节点探测到故障事件,就向主节点发送告警帧EAPS Type置为8STATE values置为0RM结点收到报警后,用辅端口发送控制帧EAPS Type置为6STATE values置为3,启动从辅端口到断裂处的路由。断裂处的交换机发送EAPS Type置为8STATE values置为1的控制帧。RM结点收到断裂处交换机的回帧后继续发送EAPS Type置为8STATE values置为0的控制帧。此时网络切换到环断开的状态。RM一直发送EAPS Type置为8STATE values置为0的控制帧,直到原路由恢复。

当原路由恢复时,断裂的处相邻的节点探测到恢复信息,就向主节点发送告警帧EAPS Type置为8STATE values置为5RM结点收到报警后,用辅端口发送控制帧EAPS Type置为7STATE values置为4,断开从辅端口到断裂处的路由。断裂处的交换机发送EAPS Type置为7STATE values置为1的控制帧。RM结点收到断裂处交换机的回帧后继续发送EAPS Type置为6STATE values置为0的控制帧。此时网络切换到环断开的状态。RM一直发送EAPS Type置为6STATE values置为0的控制帧,此时原路由恢复,辅端口为阻断状态。

3.千兆工业以态环网在实际系统中的应用和性能测试

以大型的控制系统为例,控制点散布于全厂范围内,且系统实时性要求比较高。分布于全厂范围内的系统,传输介质被损坏的可能性很大,在运用环网技术后,可保证环上任意一条主干路由出问题时不影响系统正常通信。图中为一个典型的工业控制系统示意图,现场的设备如PLCRTU、综保系统等都接入千兆的工业以态环网,上层接PC服务器,PC服务器的另一网卡接管理网。这样就实现了控制系统和管理系统的隔离。

3.1千兆工业以态环网的配置

以大型的能源控制系统为例,控制点散布于全厂范围内,且系统实时性要求比较高。分布于全厂范围内的系统,传输介质被损坏的可能性很大,在运用环网技术后,可保证环上任意一条主干路由出问题时不影响系统正常通信。图三为一个典型的能源系统的网络示意图。冗余环网,各台交换机通过冗余换口依次进行连接,本文以西门子SCALANCE X400为例。在用西门子工业交换机组环网时需要注意太网总是保持总线型传输结构,在配置完成前,不能闭合环网链路。HSR不可以与其他品牌具有环网协议产品的串接共同组环。在配置前需用PST(西门子初始化软件)为交换机配制IP地址等内容。


在配置环时,为了保证系统的快速重构和稳定运行最多可连接50个交换机在环上。环网中其中一台作为冗余管理器RM,其余交换机作为环成员。在网络正常的情况下RM的环端口中有一个会处于断开状态,此时网络呈现线型的结构。当网络中出现传输介质损坏或有交换机损坏时,环网会自动启用RM中断开的端口,同时可以在300ms内使切换到另一种线型结构。当网络故障排除,可以恢复原有的线型结构。在配置千兆环网的时候,组成环的端口可以是光纤端口,也可以是电气端口。需要注意的是,要使整个环都实现千兆的传输速度,选择作环的端口必须是千兆的光纤或电气端口。



3.2 功能测试

我们在本例中使用的西门子SCALANCEX-400 交换机当环状网内一个传输路径或者SCALANCE X-400 交换机发生错误时,传输路径可在0.3秒内重构。同时交换机对于现有网络管理的集成功能通过SNMP 进程来实现,能自动把网络情况用E-mail发送给网络管理员,支持VLAN SCALANCEX-414E还支持3层交换功能(IP路由)

  在环结点数达到11个点,总的交换机结点数达到50个点的实际生产环境中,我门将还上其中一台交换机配制为RM,其余在环上的交换机都按要求配置完成后,进行模拟传输介质故障时的环网情况,并且用PING  工具测试丢帧的情况。首先我们人为地断开一条环上的路由。RM交换机立刻出现报警,面板上的绿色灯立即变为红色,且开始闪硕。PING测试出现一个丢帧的情况,应用程序几乎感觉不到网络拓扑的变化。在一段时间后,重新接回刚才断开的路由,红灯立刻停止闪烁,在环恢复的过程中没有出现丢帧的情况。

 

4.工业以态环网性能优化的探索

在对可靠性要求更高的生产环境中,可采用单机双环,或双机双环的方式提供更可靠的服务,当然成本也成倍的增加。多环组网时协议效率、可靠性、交会节点设备的压力、环上多跳带来的效率下降、环路的带宽算法、环网的扩容等。同时,多环组网问题仍旧需要深入研究。

   在结点数教多的环型网络结构中,会出现上百台终端出现在同一LAN区域内的情况,在这种大型的环结构中会出现大量广播、组播影响网络的性能。这时把大环化为几个独立的小环,在各个小环间以三层的方式完成小环间各LAN的通讯可以有效提高网络的性能。

对于现阶段的环网冗余功能各个厂商有各自开发的协议,例如赫斯曼的Hiper Ring ,西门子的HSRMOXATurbo Ring,在实践中经常遇到将两三家厂商的集成在一起的情况,由于各厂商协议间的互相不支持,集成在一起时可能导致的网络广播风暴等情况导致网络的瘫痪。在和不支持环网功能的商用交换机进行级联时,也会有可能造成网络的瘫痪。为此应制定统一的协议来支持环网的冗余功能,并且在上用交换机中也增加相应识别协议,提高各厂家设备的兼容性,为用户提供方便,是千兆工业以态环网亟待解决的问题 

 

参考文献:

1RFC361 9Extreme Networks Ethemet Automatic ProtectionSwitching(EAPS)v10SShah MYip October 200319

2TCP/IP Illustracted Volume 1:The Protocols W.Richard Stevens Addison Wesley/Pearson

3Industrial Ethernet Switches SCALANCE X-300/X-400 Configuration Manual SIEMENS

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