千兆以太工业环网的应用及探讨V1[1].0.docVIP

千兆以太工业环网的应用及探讨

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SCALANCEX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。

关键词千兆工业以态环网环网冗余

Abstract：Thisarticle,mainlyexpatiatesontheadvantagesofindustrialgigabitringethernetwhencomparedwiththetraditionalethernet,notonlyintroducestheredundantprincipleandmechanismofgigabitringethernetindetail,butalsoparticularlyanalysethedataframeandprotocolwhichhaveankeyeffectonnetworkredundancyandswitch.AtlastittakestheSiemensXseriesswitchesasanexample,showsustheusageofgigabitringethernetinreality,andputsforwardtheviewaboutthedevelopmentofindustrialringethernet.

Keywords：industrialgigabitringEthernet,ringredundancy,self—healingmechanism

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纤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交换机意外停机等不可靠因素，提高了系统的抗干扰能力。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(ethernetautomaticprotectionswitch)技术；另一个就是以IEEE802．17为基础的RPR(resilientpacketring，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（RFC3619，EAPS，EthernetAutomaticProtectionSwitching）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）

源MAC地址（6字节）

类型（EtherType）