工業以太網冗余原理

引言

在一個橋接的局域網里，為了增強可靠性，必然要建立一個冗余的路徑，網段會用冗余的網橋連接。但是，在一個透明橋橋接的網絡里，存在冗余的路徑就能建立一個橋回路，橋回路對于一個局域網是致命的。它會帶來如下問題：

A.廣播風暴

B.同一幀的多份拷貝

C.不穩定的MAC地址表

因此，在交換網絡中必須有一個機制來阻止回路。

1 生成樹協議

生成樹協議就是IT界中常用的機制。生成樹協議是一種橋嵌套協議，在IEEE802.1d規范里定義，可以用來消除橋回路。它的工作原理是這樣的：生成樹協議定義了一個數據包，叫做橋協議數據單元BPDU（Bridge Protocol Data Unit）。網橋用BPDU來相互通信，并用BPDU的相關機能來動態選擇根橋和備份橋。但是因為從中心橋到任何網段只有一個路徑存在，所以橋回路被消除。 在一個生成樹環境里，橋不會立即開始轉發功能，它們必須首先選擇一個橋為根橋，然后建立一個指定路徑。在一個網絡里邊擁有最低橋ID的將變成一個根橋，全部的生成樹網絡里面只有一個根橋。根橋的主要職責是定期發送配置信息，然后這種配置信息將會被所有的指定橋發送。這在生成樹網絡里面是一種機制，一旦網絡結構發生變化，網絡狀態將會重新配置。

當選定根橋之后，在轉發數據包之前，它們必須決定每一個網段的指定橋，運用生成樹的這種算法，根橋每隔2秒鐘從它所有的端口發送BPDU包，BPDU包被所有的橋從它們的根端口復制過來，根端口是接根橋的那些橋端口。BPDU包括的信息叫做端口的COST，網絡管理員分配端口的COST到所有的橋端口，當根橋發送BPDU的時候，根橋設置它的端口值為零。然后沿著這條路徑，下一個橋增加它的配置端口COST為一個值，這個值是它接收和轉發數據包到下一個網段的值。這樣每一個橋都增加它的端口的COST值為它所接收的BPDU的包的COST值，所有的橋都檢測它們的端口的COST值，擁有最低端口的COST值的橋就變為了指定的橋。擁有比較高端口COST值的橋置它的端口進入阻塞狀態，變為了備份橋。在阻塞狀態，一個橋停止了轉發，但是它會繼續接收和處理BPDU數據包。

IEEE 802.1D規范包括了生成樹算法（Spanning Tree Algorithm，STA），這是一種確保轉發循環永遠不會發生的機制。 STA使用網橋協議數據單元（Bridge Protocol Data Units，BPDU），自動配置網橋上處于轉發或阻塞狀態的獨立端口。BPDU是網橋發送到一個已保存的多播MAC地址（對于以太網，這個地址是01-80-C2-00-00-00）的消息，所有透明網橋都會偵聽該地址。在阻塞狀態下，端口不會獲悉或轉發已接收到的幀。STA的最終結果是一個無循環的橋接環境，不管局域網網段拓撲結構是否改變，這個環境總是一直存在。生成樹算法，決定了網絡鏈路故障恢復時間，最少不低于15秒。

生成樹的狀態:

運行生成樹協議的交換機上的端口，總是處于下面五個狀態中的一個：

阻塞：所有端口以阻塞狀態啟動以防止回路，由生成樹確定哪個端口切換為轉發狀態，處于阻塞狀態的端口不轉發數據幀但可接受BPDU。

監聽：不轉發數據幀，但檢測BPDU（臨時狀態）。

學習：不轉發數據幀，但學習MAC地址表（臨時狀態）。

轉發：可以傳送和接受數據數據幀。

禁用：通常由于端口故障或交換機配置錯誤引起。

2 Supreme-Ring協議

Supreme-Ring協議是在工業以太網使用的冗余機制。Supreme-Ring協議和生成樹協議有點相似，Supreme-Ring協議也定義了一種數據包，稱為HELLO包，又稱為WD包（Watch Dog Packets)。交換機之間用HELLO包通信，在主交換機上動態選擇主鏈路和備份鏈路。但是因為從中心橋到任何網段只有一個路徑存在控制工程網版權所有，所以橋回路被消除。

在工業冗余環網網絡環境里，交換機不會立即開始轉發功能，主交換機(Local)由手動指定，選擇主鏈路和備份鏈路建立一個指定路徑，由Supreme-Ring協議自動指定。一個工業冗余環網網絡里面只能有一個主交換機(Local)。主交換機(Local)會定期發送配置信息，這種配置信息將會被所有的從交換機（Remote）發送。一旦網絡結構發生變化，網絡狀態將會重新配置。

當指定主交換機(Local)之后，在轉發數據包之前，所有端口都以阻塞方式啟動。運用Supreme-Ring算法，主交換機(Local)選擇最低COST值的端口作為主鏈路，另一條COST值高的端口作為備份鏈路。備份鏈路不轉發數據，只接收和處理HELLO包，處于熱備（Hot Standby）狀態。從交換機（Remote）沒有主鏈路和備份鏈路的區別。Supreme-Ring協議是一種簡潔高效的冗余協議，能夠保證環網在鏈路故障時，在300ms之內恢復網絡通信。

Supreme-Ring的狀態：

運行Supreme-Ring協議的交換機上的端口，總是處于下面四個狀態中的一個：

阻塞：所有端口以阻塞狀態啟動以防止回路，處于阻塞狀態的端口不轉發數據幀但可接受HELLO包。

熱備：不轉發數據幀，但學習MAC地址表，在主鏈路故障時，在300ms之內，立刻進入轉發狀態。

轉發：可以傳送和接受數據數據幀。

禁用：通常由于端口故障或交換機配置錯誤引起。

結束語

工業網絡環境需要快速反應冗余機制，生成樹協議的15秒恢復時間，不能滿足工業環境要求。只有采用Supreme-Ring協議才是工業網絡環境的最佳冗余機制。