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用于工业以太网局域网的符合标准的冗余

文章来源:不详 作者:佚名 访问次数:


该文章讲述了用于工业以太网局域网的符合标准的冗余的电路原理和应用

通过冗余和容错达到的高可用性是许多工业网络部署的关键部分。一个企业网络断开几分钟会带来很多的不方便,而工业网络的中断则可能有灾难性的后果。增强标准的生成树协议(Spanning Tree Protocol)的功能可为局域网的环型结构增加活力以及提高修复错误的速率,而不会牺牲基于标准的冗余解决方案的利益。
  在部署冗余的工业以太网专题">工业以太网的应用系统时,公司主要依靠已经开发的定制系统来适应单个的应用。在过去三年中,从运行设备投入生产而获得的实践经验相对较少。已经使用多年但代价昂贵的串行连接协议和专有解决方案的行业试图使标准的以太网适合容错的工业网络。标准的灵活性和互操作性的好处是显而易见的。然而,把设计用于更加宽松的办公室环境的软件标准用于严酷工业现场,这的确是个挑战。

标准软件
  IEEE802.1d标准生成树协议(STP)几年前就已经能与管理的切换器和网桥一起使用。这种软件提供一个机制,用于解决以冗余的物理连接保持标准以太网局域网的运行,它不允许所使用的数据包在给定的时间内有多于一条的途径。生成树协议包括于以太网管理的切换器软件内,所有生产以太网管理切换器的主要供应商都提供这种软件,并在市场上已广泛销售。
  而且,通过多年的广泛使用,已证明STP是可互操作的,使用来自多生产商的产品的商业系统能以常规实现。标准STP支持任何形式的冗余组态:网格型或环型或组合型。
  最近,出现了快速生成树协议(RSTP)并开始用于一些冗余局域网系统。它被设计用于小或中型网格和一些小型环中,具有比STP更快的出错修复时间。一般说来,还没有现成的RSTP互操作性的经验,因为它刚出现,它的出现使支持它的生产商作了一些专有的修改。



 


 

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   生产商有时为了鼓励选择专有技术而不赞成使用STP。因为STP没有生产商的赞助,供其使用的数据并不是广泛可用的,而且培训资料和应用经验比较局限。

工业中的环型结构
  环型拓扑是工业应用中最实际和最广泛的冗余局域网配置。网状结构不实用而且对于大区域范围的分散式应用来说非常昂贵。管理冗余环有以下三个选择:

1.与当前的标准一起使用,即使它们并不是为环型应用而优化设计的。

2.使用生产商专有的用于环型结构的解决方案,它能提供更快的错误修复时间,但价格更贵和其实现的灵活性相对较少。
3.选择具有特殊环扩展的基于标准的实现,它能加快处理出错,也允许在拓扑中使用任何标准的以太网产品。

选择1,使用STP

  STP用于冗余局域网应用系统已超过10年。起初它被设计为在10Mbps总线拓扑中支持使用桥技术的冗余。目前,STP已经发展为用于高速局域网中具有星型拓扑的多端口切换器中。
  环是网状拓扑的简单子集,这是STP的优势所在。然而,在一些高端应用中,标准STP执行修复的延迟时间过长以至难以接受。STP用于大多数(如果不是所有被以太网管理的切换器)可以在一个配置中混合和相匹配的切换器。STP被设计为支持多种局域网拓扑并能与集线器和切换器很好地一起工作。
  STP的弱点寄居于其优势中:它不是固有的面向环型结构,而且其复杂性允许其支持多种拓扑,这样在一个相对简单的冗余环其性能就不能充分发挥。当在环中出现故障时,很明显的解决方法就是把中断的环看成是两个单独的串,直到故障修复为止。由于只有这样一个故障修复方法,因此标准STP收集数据以及作出分析所用的时间是不能被接受的。
  STP的其他弱点在于:它不能轻易地按比例增加规模从而控制更大的环。STP在有冗余冲突的切换器之间传递信息时,如所有的切换器在决策的根切换器的一对跳点之间,则STP能工作得很好。当一个环中切换器的数量达到十个,每个切换器都沿线传送报文时,对STP而言,这个环就难于操作以致不能很好地进行报文处理。
  对一个决策者来说,一个简单的环结构是最好处理的,只需照顾好环的两端,环和环的结点符合标准以太网数据包处理协议。一般说来,STP的结构设计过于复杂因而使协议相对于简单的环来说是大材小用。

选择2——专用解决方案
  它们能够快速有效地处理环以太网的故障,但是网络设备的专有属性限制了只能使用单一生产商的设备包括承担其风险。

选择3——环功能增强的STP
  通过开发一个建立在STP标准上、更快的、基于环的故障修复过程和快速运行的安全解决方案始终需要进一步的革新,以便今后能够更好地运行。所推荐的解决方案允许多生产商的实现但仍保持可选择的方案。一个可选择的方案是由GarrettCom’s S-Ring软件所提供。它目前要求使用Magnum6K可管理的切换器,但通过使用标准的STP状态检测群播包(称为桥路协议数据单元或BPDU)决定故障的出现。不干扰标准STP的运行,就能选择S-Ring软件运行于一个支持环型结构的成对端口,它减少环型结构的故障修复时间(对标准STP来说是1.5分钟至5分钟),从分钟降至秒(小于2秒,环切换器缓冲所允许的时间)。由于它使用专有环修复方法,S-Ring解决方案的速率因而具有竞争力,但是在标准STP基础上实现,允许使用多生产商、工业标准以太网集线器以及切换器。
环计时问题
  以太网开关记忆MAC地址,从而可将数据包切换至其目的端口,一旦它们被激活,就能在存储器中存储其地址。如果MAC地址停止激活,几分钟后它就退出切换器的存储器。当LAN急需重新组态时,这个延迟退出切换器的存储地址会导致问题。当中继器(集线器)没有存储器缓冲并因此而不能建立修复瓶颈时,切换器中所存储地址能防止数据包通过新的修复路径传送出去,直到地址被清除出切换器的存储器。
  如果环中的切换器能避免以太网的通信报文移到修复通信路径的话,那么具有快速环修复的技术是没有什么利益。不同的切换器生产商实施不同的地址缓冲时效时间。在多生产商的实现中,修复路径中最慢的时效时间将控制环修复时间。当计算冗余环中修复时间的时候,建立切换器地址缓冲的时效时间非常关键。
  在该公司的mP62边缘(edge)切换器中,可激活一个称为Link-Loss-Learn(LLL)的[专有]特性,它立即排齐地址缓冲器并再次获得围绕故障点进行路由的MAC地址。这个过程类似于切换器的初始化,并在毫秒级的时间发生,导致快速的环修复。一个S-Ring的实现监视Link-Loss以及STP BPDU包的故障并且对首先发生的那个故障作出响应。在大多数情况下,侦测Link-Loss(链接丢失)的时间快于两秒,在这个时间内,BPDU包可成功地

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