工業(yè)以太網(wǎng)冗余技術(shù)分析(精)

1、2012.3信息安全與通信保密59通信技術(shù)Communi cati ons Tech no logies肖賀a，管海兵b，宦飛(上海交通大學(xué)a信息安全工程學(xué)院;b.電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240摘要為了滿足工業(yè)以太網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求，減少因網(wǎng)絡(luò)故障造成的損失， 網(wǎng)絡(luò)冗余容錯技術(shù)的提出增 加了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。文中介紹了網(wǎng)絡(luò)冗余技 術(shù)國內(nèi)外研究的總體情況，討論了多種網(wǎng)絡(luò)冗余解決方案，包括生成樹協(xié)議、快速生 成樹協(xié)議、環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議和分布式冗余網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以及其他的網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)，著重討 論了分布式冗余網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，最后對多種網(wǎng)絡(luò)冗余解決方案進行了比較，特別指出了它 們的局限性。關(guān)鍵詞工業(yè)以

2、太網(wǎng)；生成樹協(xié)議；環(huán)網(wǎng)冗余;分布式冗余網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中圖分類號TP273 文獻標(biāo)識碼A 文章編號1009-8054(201203-059-05An alysis of Redu ndancy Tech no logy for In dustrial Ether netXIAO Hea,GUAN Hai-b ingb,HUAN Fei(a. School of In formatio n Security;b. School of Electro nic In formatio n andElectrical Engin eeri ng.Sha nghai Jiaoto ng Un iversity,

3、Sha nghai 200240,Ch inaAbstract In order to meet the reliability requireme nts of in dustrial Ether net n etwork and reduce losses resulted from n etwork failure,red undancy and fault-tolera nt tech no logy is propo sed to in crease the reliability and stability of the n etwork. The authors give an

4、overview on the curre nt state of n etwork redu ndancy tech no logy ,p rese nt several n etwork redu ndancy soluti on s,i ncludi ng STP ,ri ng redu ndancy soluti on s,distributed redundancy p rotocol,a nd other red undancy soluti on s,i nclud ing their comp aris on and limitatio n.Keywords in dustri

5、al Ethernet;ST P;ri ng redu ndan cy;DR P p rotocol收稿日期:2011-11-07作者簡介：肖賀，1985年生,男碩士，研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò)與安全；管海兵，1970 年生，男，博士生導(dǎo)師，教授，研究方向:虛擬化、綠色節(jié)能系統(tǒng)、 計算機視覺、多核 與并行計算；宦飛,1962年生,男,碩士生導(dǎo)師，研究方向：云計算、計算機應(yīng)用技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)冗余技術(shù)分析0引言工業(yè)以太網(wǎng)以其特有的低成本、高實效、高擴展性及高智能的魅力，吸引著越 來越多的制造業(yè)廠商1，控制系統(tǒng)和工廠自動化系統(tǒng)常常采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)完成工業(yè)控制任務(wù)。在 核電、電力以及交通等很多工業(yè)控制 領(lǐng)

6、域的實際應(yīng)用場合下，設(shè)備所處的環(huán)境相當(dāng) 復(fù)雜，用戶對以太網(wǎng)的可靠性要求也越來越高2通信。為了保證不會 因通信服務(wù)器失效、網(wǎng)絡(luò)斷線或交換機故障而導(dǎo)致整個 系統(tǒng)癱瘓，現(xiàn)在普遍通過以太網(wǎng)冗余技術(shù)來提高網(wǎng) 絡(luò)容錯的能力。文中首先從整個以太網(wǎng)冗余技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，分析多種網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)解決方案，重點討論了分布式網(wǎng)絡(luò) 冗余協(xié)議。最后比較了現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)，給出了每 種冗余技術(shù)的特點及不足。1網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)冗余、容 錯方面做了大量的工作。各大 自動化設(shè)備生產(chǎn)廠商也都紛紛提出了自己的網(wǎng)絡(luò)冗 余技術(shù)解決方案來提高工業(yè)以太網(wǎng)的可靠性3。由I

7、EEE制定的生成樹協(xié)議，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中只有一條數(shù)據(jù)傳輸路徑，消除了網(wǎng)絡(luò) 回路4?？焖偕蓸鋮f(xié)議對生成樹協(xié)議進行了改進，縮短了網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時間5。彈性分組環(huán)協(xié)議（Resilient Packet Ring,RPR是一種新型的MAC協(xié)議,采用逆 向雙環(huán)結(jié)構(gòu),分別是0環(huán)（外環(huán)和1環(huán)（內(nèi)環(huán)，數(shù)據(jù)沿0環(huán)或1環(huán)在節(jié)點之間進行轉(zhuǎn) 發(fā)。RPR的一個優(yōu)點是故障 切換時間短（低于50 ms另一個優(yōu)點是空間重用（沿 著環(huán)以不同方向路由客戶流量的能力70 RPR協(xié)議存在的一個問題，就是如果要求包按序傳輸，并不總是能夠保 證50ms的恢復(fù)時間，因為,RPR有相當(dāng)長的拓撲穩(wěn)定期 時間（默認40 ms用以避免對包重 排序。文獻

8、8提出了對RPR的改進方法，不需要等到拓撲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，從而保證少于50 ms的恢復(fù)時間,并且相比較標(biāo)準(zhǔn)RPR協(xié)議,減少了丟包量。RPR雖然支持以太網(wǎng), 但需要硬件支持，由于成本較高，且它的發(fā)展過程有自己的一套體系，各設(shè)備商對其 支持力度不大。由Extreme Networks公司提出通信技術(shù) Com mun icatio ns Tech no logies的以太網(wǎng)自動保護切換協(xié)議 （Ethernet Automatic P rotection Switchi ng,EA PS 是 一個專門用于解決二層環(huán)路問題的以太網(wǎng)自愈保護方案9。EAPS（RFC3619協(xié)議 目前支持RPR關(guān)鍵的特性，且不必進

9、行硬件升級10。Hirschmann公司基于一個完整的網(wǎng)絡(luò)可以被劃分成若干個相互連接的環(huán)網(wǎng)的思想，提出了 Hi per Ring環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議11。Hi per Ring環(huán)網(wǎng)自愈時間小于50 ms,每個環(huán)網(wǎng)最多可支持50臺交換機 12。Turbo Ring是Moxa公司自主開發(fā)的協(xié)議，它在很大程度上優(yōu)化了通信冗余功 能。在20臺以太網(wǎng)交換機 全負載的情況下，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致異常時，系統(tǒng)可以在300ms時間內(nèi)迅速恢復(fù)正常運行，將損失降至最低。2007年,Moxa又推出新一代TurboRing技術(shù),將這個數(shù)字刷 新為20 ms13。N-Tron公司提出的N-Ring環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議 需要一臺N-Tron管

10、理交換機作為環(huán)網(wǎng)管理器，每個N-Ring環(huán)網(wǎng)可支持250臺N-Tron管理交換機和50臺非N-Tron管理交換機14。 Super Ring是由Korenix公司 開發(fā)的環(huán)網(wǎng) 冗余技術(shù)。2006年,Korenix公司在Super Ring的基礎(chǔ)上 開發(fā)出了Ra pid Su per Ring技術(shù)作為公司的第二代環(huán)網(wǎng)冗 余技術(shù)。Rap id Super Ring技術(shù)通 過加快環(huán)主控設(shè)備(Ring Master的選擇，減少了恢復(fù)時間。在一個連接有 250個節(jié) 點的千兆光纖環(huán)網(wǎng)的環(huán)境下，恢復(fù)時間不到5 ms,成為目前世界上最快的以太網(wǎng)冗余環(huán)網(wǎng)規(guī)格15。國內(nèi)的研究機構(gòu)和企業(yè)也積極地致力于網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)的

11、研究。2001年10月,浙江大學(xué)、浙大中控集團以及中科 院沈陽自動化所等單位開始制定基于工業(yè)以太 網(wǎng)的實時通 信控制系統(tǒng)解決方案一一EPA標(biāo)準(zhǔn)。2007年8月,EPA標(biāo)準(zhǔn)被正式列 入現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158(第四版16。針對工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)高可靠性與高可用 性的要求，EPA定義了 DRP協(xié)議(EPA分布式冗余網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。對環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，它是基 于專利的主動并行故障探測技術(shù)，分散了故障風(fēng)險，大大縮短了環(huán)形網(wǎng)絡(luò)自愈時間17。華為技術(shù)有限公司提 出的快速環(huán)網(wǎng)保護協(xié)議(Rapid Ring ProtectionProtocol, RRPP是一個專門應(yīng)用于以太網(wǎng)環(huán)的鏈路層協(xié)議，可以防止環(huán)路上的廣播 風(fēng)暴，

12、并在鏈路發(fā)生故障時能夠快速收斂18。中興公司提出了智能以太環(huán)網(wǎng)(ZESR。ZESR是基于EAPS(RFC3619協(xié)議的以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)。ZESR繼承了EAPS二層網(wǎng)絡(luò)快速收斂的優(yōu)點，并且允許網(wǎng)絡(luò)管理員創(chuàng)建以太網(wǎng)環(huán)，其方式類似于 光纖分布式數(shù)據(jù)接口 (Fiber Distributed Data Interface,FDDI 或 SONET/SDH 環(huán)。ZESR可以在不到50 ms時間內(nèi)，從任何鏈路或節(jié)點故障中恢復(fù) 過來19。銳捷網(wǎng)絡(luò) 公司同樣是在RFC3619的基礎(chǔ)上，自主開發(fā)了快速以太網(wǎng)環(huán)保護協(xié)議 (RERP,RapidEthernet Ring Protection,并 已經(jīng)在銳捷 網(wǎng)絡(luò)的RG

13、-S86O0 RG-S9600等高端系列交換機上實現(xiàn)20。由東土科技公司自主創(chuàng)新的快速冗余技術(shù)DT-Ring協(xié)議族 包含了 DT-Ring、DT-Ring+以及基于 VLAN的DT-VLAN-Ring 等幾種協(xié)議。協(xié) 議族中的3種協(xié)議分別討論了環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)（DT-Ring;環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)之間的耦合和工業(yè)以太 網(wǎng)相交環(huán)網(wǎng)的問題（DT-Ring+; 個網(wǎng)絡(luò)中同一端口或 不 同端口的同一 VLAN冗余問題（DT-VLAN-Ring21。2網(wǎng)絡(luò)冗余解決方案2.1生成樹協(xié)議生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol,STP是由 IEEE 制 定的 IEEE802.1D 標(biāo)準(zhǔn),

14、 它通過在交換機上運行生成樹算法 （Spanning Tree Algorithm,STA來實現(xiàn)對鏈路的管理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中有環(huán)路時，主動地在邏輯上阻塞一個或多個冗余端口，使得接入 網(wǎng)絡(luò)的計算機在與其他計算機通信時，只有一條鏈路生效22,避免了網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生廣 播風(fēng)暴。當(dāng)檢測 到主路徑中出現(xiàn)故障時，交換設(shè)備將之前阻塞的端口解除 阻塞,從 而建立一個新的路徑以繞過故障點，如圖1所示。圖1基于STP的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)正常工作時，將交換機A與交換機D連接的端口阻塞，阻止以太網(wǎng)數(shù)據(jù) 幀的轉(zhuǎn)發(fā)，從而在邏輯上不會 形成回路。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，如L1段網(wǎng)絡(luò)斷開，通過設(shè)置端口狀態(tài)自動切換到冗余鏈路L2,保證

15、數(shù)據(jù)的正常傳 輸，從而為網(wǎng)絡(luò)提供了動態(tài) 冗余切換機制。STP采取的檢 測機制是只有當(dāng)數(shù)據(jù)單元未到達目的端口時，才會檢 測到鏈路出現(xiàn)故障，然后生成新的拓撲23,所以，故障恢復(fù) 時間較長。STP所需要 的自愈時間為3060 s24o在文獻25中,王震宇等人對生成樹的設(shè)計與優(yōu)化提出 了 3種優(yōu)化措施，以縮短收斂時間，這3種優(yōu)化措施分別是：1根網(wǎng)橋應(yīng)盡可能位于網(wǎng)絡(luò)的中心。2通過調(diào)整交換機的端口成本、端口ID、網(wǎng)絡(luò)直徑 等參數(shù)調(diào)整定制生成樹和 其收斂方式。3利用冗余鏈路的快速收斂技術(shù)減少對生成樹的影響。除了存在收斂時間長的26 0問題,STP協(xié)議還存在VLAN敏感性和在環(huán)形網(wǎng)中造成的帶寬不足兩個問題 在

16、STP基礎(chǔ) 上,IEEE208.1W快速生成樹協(xié)議（Rapid Spanning TreeProtocol,RSTP對其進行了改進。RSTP改變了端口狀態(tài)轉(zhuǎn)換方式，通過監(jiān)測每個網(wǎng) 絡(luò)中的端口的狀態(tài)，在連接狀態(tài)發(fā)生改變時，將它的某些端口快速置為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，迅 速生成新的拓撲23,在12 S的時間內(nèi)再次形成穩(wěn)定 的網(wǎng)絡(luò)拓撲。RSTP同時兼容 生成樹協(xié)議27。文獻28對60信息安全與通信保密 通信技術(shù) Com mun icatio ns Tech no logiesRSTP的性能進行了評估，并且提出了通過增加帶寬的使 用來加快RSTP收斂 速度的方法。2.2環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)2.2.1環(huán)網(wǎng)冗余解決方案以太環(huán)

17、網(wǎng)是最簡單的環(huán)網(wǎng)冗余拓撲結(jié)構(gòu)。在一個環(huán)網(wǎng)中,任何一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都 只有兩個相鄰的節(jié)點。在一個 典型的冗余環(huán)網(wǎng)中，有一個主交換機。正常工作時，主 交換機的其中一個連接端口會被置為阻塞狀態(tài)，阻止以太網(wǎng) 數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)，僅允許轉(zhuǎn)發(fā) 冗余控制幀，保證了物理上是一個回路，但是沒有邏輯回路。這樣，在正常情況下，主 交換機有一個轉(zhuǎn)發(fā)端口 （主端口和一個擁塞端口（次端口，環(huán)上其他設(shè)備節(jié)點的兩個端口均為轉(zhuǎn)發(fā)端口。222環(huán)網(wǎng)冗余的故障檢測機制環(huán)網(wǎng)冗余的故障檢測機制有兩種，分別是循環(huán)檢測和故障告警。冗余環(huán)網(wǎng)通常 使用其中一種或同時使用兩種機制來檢測環(huán)網(wǎng)的連通性和故障17。(1循環(huán)檢測通過主設(shè)備節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)端口周期性地發(fā)送檢

18、測幀來檢測環(huán)網(wǎng)故障。如果環(huán)網(wǎng) 工作正常，那么檢測幀在環(huán)網(wǎng)一 周后，被主設(shè)備節(jié)點的次端口接收到。 如果在固定 時間內(nèi)，阻塞端口沒有接收到檢測幀，認為出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，主設(shè)備節(jié)點會迅速打開阻 塞端口，這樣，環(huán)網(wǎng)在邏輯上仍然是只 有一個線性結(jié)構(gòu)。主設(shè)備節(jié)點清空 FDB表(即交換機中的MAC轉(zhuǎn)發(fā)表，并發(fā)送數(shù)據(jù)包指示網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點清空 FDB表。然后, 所有交換機學(xué)習(xí)新的拓撲結(jié)構(gòu)。(2故障告警當(dāng)環(huán)網(wǎng)中的某個交換機檢測到其兩個端口中的任意一個出現(xiàn)連接故障時，都會 給主設(shè)備節(jié)點發(fā)送一個告警信息。主設(shè)備節(jié)點接收到告警信息后，迅速打開其擁塞 端口 ,清空FDB表。然后，主設(shè)備節(jié)點向環(huán)上所有節(jié)點多播數(shù) 據(jù)包,指示節(jié)點

19、清空FDB表，并學(xué)習(xí)新的拓撲結(jié)構(gòu)。2.2.3環(huán)網(wǎng)冗余的故障恢復(fù)機制在處于環(huán)故障狀態(tài)下，主設(shè)備節(jié)點仍周期性地在主 端口上發(fā)送檢測幀，一旦環(huán)故 障恢復(fù)，下一個檢測幀將在 次端口上被接收到，這就會導(dǎo)致主節(jié)點回到正常狀態(tài)，從 而次端口在邏輯上將阻塞非控制報文，刷新FDB表，發(fā)送控制報文到傳輸節(jié)點，指示 傳輸節(jié)點刷新其FDB表,并重新學(xué)習(xí)新的網(wǎng)絡(luò)拓撲29。2.3分布式冗余網(wǎng)絡(luò)協(xié)議2.3.1分布式網(wǎng)絡(luò)冗余協(xié)議原理分布式網(wǎng)絡(luò)冗余協(xié)議（Distributed Redundancy Protocol, DRP是基于ISO/IEC8802-3和IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)，在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層之間實現(xiàn)的冗

20、余技術(shù)17。DRP協(xié)議的環(huán)網(wǎng)是由支持分布式故障探測的交換設(shè)備構(gòu)成主干環(huán)網(wǎng)，每個交換設(shè)備至少由一對環(huán)路端口和若干個交換端口組成，每個交換設(shè)備都具 有故障檢測和恢復(fù)功 能，也就是說，環(huán)網(wǎng)中所有節(jié)點的管理角色是平等的，避免了冗 余管理功能集中在一個節(jié)點上可能帶來的風(fēng)險，這就是DRP協(xié)議的分布式冗余的概 念。DRP環(huán)網(wǎng)中，每個交換設(shè)備都有一個唯一的序列號 （SequencelD。DRP網(wǎng)絡(luò)初 始化的過程中，采用競爭的機制，選舉SequenceID號最小的交換設(shè)備為主節(jié)點，其余 交換設(shè)備為傳輸節(jié)點30。正常工作情況下，將主設(shè)備的其中一個環(huán)路端口置為擁 塞狀態(tài)，只允許DRP管理幀通過，阻塞數(shù)據(jù)幀的傳輸，另

21、一個端口置為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)；將傳輸節(jié)點的兩個環(huán)路端口均置 為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，這樣,DRP環(huán)網(wǎng)退化成一個線性結(jié)構(gòu)，避免了網(wǎng)絡(luò)回路所導(dǎo)致的廣播風(fēng)暴。如圖2所示，交換設(shè)備1和6之間的鏈路處于阻塞狀態(tài)。t .-r_ rf _ r節(jié)*于氏珀U I LS2基于DRP的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在DRP環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，通信時間被分成多個宏周期（即完成一次完整通信的時間， 環(huán)網(wǎng)上的每個交換設(shè)備都維護了一個本地時間。為了實現(xiàn)分布式冗余概念，DR P協(xié)議沿用了 EPA協(xié)議采用確定性分時調(diào)度的機制，因此環(huán)網(wǎng)中的節(jié)點必須實現(xiàn)基于 時間同步協(xié)議（IEEE1588的精確時鐘同步功能。根據(jù)IEEE1588協(xié)議31,定義網(wǎng)路 中MAC地址最小的交

22、換節(jié)點為唯一的主時鐘，MAC地址次小的節(jié)點成 為備份根 節(jié)點。選定主時鐘后，所有交換機將本地時間同 步到整個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中唯一的主設(shè)備， 實現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)時鐘的統(tǒng) 一 32,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)信息，實現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)的宏周期的統(tǒng)一。232故障檢測DRP網(wǎng)絡(luò)的故障檢測分兩種方式：一種是環(huán)路檢測，另一種是鏈路檢測。1環(huán)路檢測。在每個宏周期內(nèi)，主節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)端口發(fā) 送Ring Check探測幀,檢測環(huán) 路故障,在固定的時間段內(nèi),阻塞端口收到Ring Check探測幀,則認為環(huán)網(wǎng)未出現(xiàn)故 障。2鏈路檢測。交換設(shè)備采取主動探測環(huán)網(wǎng)中的故障,在每個DRP通信宏周期的起始時間，環(huán)網(wǎng)中的所有節(jié)點向 相鄰左右兩個節(jié)點發(fā)送Link Che

23、ck探測幀,檢測鏈路故障。DRP通信過程如圖3所示，探測結(jié)果分為以下3種情況33:1在固定的時間內(nèi)，收到兩個鄰居節(jié)點的Link Check探測幀，認為該相鄰交換節(jié)點及其之間的鏈路正常。2若僅一個端口未收到相鄰節(jié)點發(fā)送的Link Check報文,則認為與該端口通信的鄰節(jié)點出現(xiàn)故障 （見圖4或2012.3信息安全與通信保密61通信技術(shù) Com mun icatio ns Tech no logies與鄰節(jié)點間的鏈路出現(xiàn)故障（見圖5。3若兩個端口均未收到Link Check報文，則認為該 節(jié)點已與環(huán)網(wǎng)斷開了連接。SII.SI11*且BJiiLI jiikHinp CbrN k lAtk (Jbfwk

24、11 ; Rhi/ < hrx'l總；I.*l丄 I-kr i I圖 3 DRPi< .Jrtr： SI!I .時池對A一口日"1JL -i11 1:1-_ -1 _ 一 TP' -1 -一 U 旦一.1 1r1HJ 止 111. . 11r1b-11,1 '-4St£1111L1卜11L1 _ J _, L1t - -11 111Ii.r*=k1 _ _ 11 111 1f1l*=*1L*1r11 111- > 1SI55通信過程（；vrh'>3圖4交換設(shè)備管理模塊故障探測恢復(fù) n 口1 !二Ji1Jt上 _ _&g

25、t;N N S *r -EBB 9F3MN E1 卜 、=1 =-1 1 - _ -.11'1J,iJ1I1 HH11F1r1>=1,1'1fc - - J 1T1-i-1 111I1*hi1Jk11II股百IS1S2斗圖5通信鏈路故障探測恢復(fù)233交換設(shè)備管理模塊故障恢復(fù)當(dāng)檢測到網(wǎng)路出現(xiàn)故障時，如圖4所示33,交換設(shè)備4出現(xiàn)故障,故障設(shè)備的相鄰兩個節(jié)點交換設(shè)備3和設(shè)備5首先將自身與故障設(shè)備相連的端口置為擁塞狀態(tài)并分別向另一個環(huán)端口多播 Link Alarm幀。主設(shè)備收到Link Alarm幀后，迅速打開擁塞端口。故障交換設(shè)備相鄰的兩個交換設(shè)備接收到對方的Link Ala

26、rm幀,并分別提取報警幀中的信息，根據(jù)報警幀中發(fā)送方的SequencelD大小，決定端口狀態(tài)。自身設(shè)備SequenceID較大的設(shè)備將與故障交換設(shè)備相鄰的環(huán)端口設(shè)定為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，環(huán) 網(wǎng)中恢復(fù)只 有一個端口為擁塞端口的狀態(tài)，實現(xiàn)故障恢復(fù)33。通信過程所需時間 如圖3中Cycle S2周期。234通信鏈路故障恢復(fù)根據(jù)以太網(wǎng)協(xié)議的規(guī)定，當(dāng)發(fā)生鏈路故障時，與故障鏈路相鄰的交換設(shè)備的數(shù)據(jù) 鏈路層將向上層協(xié)議發(fā)送報 警信息。如圖5所示33,交換設(shè)備3和設(shè)備4之間的 鏈路發(fā)生故障,交換設(shè)備3和設(shè)備4在接收到報警信息后，對故障進行主動探測，然 后發(fā)送報警幀，報警幀發(fā)送后的處理流程與交換設(shè)備管理模塊故障相同33

27、02.4其他網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)除了上面介紹的環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)，還有另外一些網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)，包括局域網(wǎng)冗余技 術(shù)和諸如Siemens GE和ABB等企業(yè)應(yīng)用在各自工業(yè)以太網(wǎng)中的專用網(wǎng)絡(luò)冗余解決方案。局域網(wǎng)冗余技術(shù)，即將交換設(shè)備連接到兩個獨 立的局域網(wǎng)中。局域網(wǎng)冗余 可以采用兩個完全對等的主 干網(wǎng)絡(luò)34,也可以采用主從式的主干網(wǎng)絡(luò)35。若采 用對等局域網(wǎng)冗余技術(shù)，則要求相同內(nèi)容的數(shù)據(jù)幀在兩個局 域網(wǎng)中同時傳輸；若采 用主從式局域網(wǎng)冗余，在正常工 作時，僅主環(huán)傳輸數(shù)據(jù)，只有當(dāng)主環(huán)無法工作時，才切 換到次環(huán)。2.12.3節(jié)介紹的網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)均是在交換機 內(nèi)運行冗余管理，增加了交 換機的負擔(dān)，影響了網(wǎng)絡(luò)速 度。而局

28、域網(wǎng)冗余技術(shù)是將運行現(xiàn)場總線協(xié)議的節(jié)點連 接到兩個獨立的局域網(wǎng)，并在協(xié)議棧中添加冗余管理，實體管理來自不同局域網(wǎng)的幀36,從而實現(xiàn)終端設(shè)備利 用雙端口冗余技術(shù)實現(xiàn)故障快速恢復(fù)。局域網(wǎng)冗余技術(shù) 需要在服務(wù)器的插槽上安裝兩塊采用了自動控制技術(shù)的網(wǎng)卡,并通過智能軟件進行控制。文獻36通過設(shè)計雙 網(wǎng)口冗余，即同一塊網(wǎng)卡中有兩個網(wǎng)絡(luò)通道，服務(wù)器的插 槽只需安裝一塊網(wǎng)卡，同樣實現(xiàn)了局域網(wǎng)的冗余，該系統(tǒng)在運行時自動判別兩個通道 是否正常工作，不需要使用智能軟件，從而降低了成本和復(fù)雜度。3現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)的比較傳統(tǒng)的生成樹協(xié)議STP以及快速生成樹協(xié)議RSTP可以檢測網(wǎng)絡(luò)鏈路故障,并 按照一定的算法自動重組網(wǎng)絡(luò)

29、拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)故障自愈。STP/RSTP對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié) 構(gòu)無特 殊要求,但是其自愈時間分別在50 s和2 s左右,無法滿 足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)對實DRP協(xié)議的時性的要求。環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)將自愈時 間降低到ms級,但存在主節(jié)點出現(xiàn)故障的單 點失效風(fēng)險。另外，環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議要求網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)必須是環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。提出,有效地解決了以上兩種冗余協(xié)議的問題。首先,DRP協(xié)議的自愈時間小于100ms;其次QRP協(xié)議降低了主節(jié)點失效的單點故障風(fēng)險。同樣 QRP協(xié)議也要求網(wǎng)絡(luò) 拓撲是環(huán)形結(jié)構(gòu)?；诰钟蚓W(wǎng)冗余技術(shù)可以使 得網(wǎng)絡(luò)更加可靠，但存在系統(tǒng)成本成 倍提高的不足。另外,采用對等式的局域網(wǎng)冗余時，在兩個網(wǎng)絡(luò)中同時傳輸相同62信息

30、安全與通信保密 通信技術(shù) Com mun icatio ns Tech no logies的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了故障的零實時切換，但需要處理數(shù)據(jù)幀重 復(fù)等問題;如果采用主 從式結(jié)構(gòu)，由于始終有一個網(wǎng)絡(luò)處 于空閑，造成了資源的嚴重浪費37。4結(jié)語文中討論了標(biāo)準(zhǔn)冗余解決方案如 STP和RSTP以及環(huán)網(wǎng)冗余和其他的冗余技術(shù)。STP和RSTP是以太網(wǎng)冗余協(xié)議重要的基礎(chǔ)。盡管對于一些工業(yè)以太網(wǎng)來說STP和RSTP恢復(fù)時間足以滿足其要求，但對于網(wǎng)絡(luò)故 障時間要求嚴格的工業(yè)控制 網(wǎng)絡(luò)來講，無法接受秒級的 恢復(fù)時間。以太網(wǎng)產(chǎn)品增長迅速，隨之產(chǎn)生多種不兼容 的 專用的以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議 將故障恢復(fù)時間降到 ms級。隨著

31、以太網(wǎng)在各種工業(yè)網(wǎng) 中成功應(yīng)用的案例不斷地 增加,行業(yè)亟待標(biāo)準(zhǔn)化的冗余協(xié)議。所以，IEC標(biāo)準(zhǔn)化 組織 提出的DRP協(xié)議有著重要的意義。而且，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的增加將會進一步完善DRP 協(xié)議。參考文獻1 LI Ming, LIU Hon g-sa n, LV Jia. P erforma nee An alysis and Evaluati on ofIn dustrial EthernetC/ICECE. Wuha n, Chi na:ICECE,2010:1482-1485.2張偉.雙網(wǎng)冗余技術(shù)及其實現(xiàn)J.重慶教育學(xué)院學(xué)報，2000,13(4:68-68.3 GUNNAR P rytz. Redu

32、 ndancy in In dustrial Ethernet NetworksC/IEEE. WFCS 2006. Tori no,Italy:IEEE P ublicatio n,2006:380-385.4 ANSI/IEEE Std 802.1D-1998, Part 3:Media Access Con trol(MAC BridgesS.1998. GUNNAR P rytz. Network Recovery Time Measureme nts of RST P in anEthernet Ri ng Top ologyC/IEEE. ETFA 2007. P atras:IE

33、EE P ublicatio n,2007:1247- 1253.6 FREDRIK Davik,METE Yilmaz,STEIN Gjessi ng,et al. IEEE 802.17 Resilie nt Packet Ri ng TutorialJ. Commu ni cati ons Magazi ne,IEEE,2004,42(3:112-118. 7 畢汝 超.以太網(wǎng)交換機EAPS系統(tǒng)的設(shè)計D.西安:西北工業(yè)大學(xué),2007.8 AMUND Kvalbei n, GJESSING Stei n. An alysis and Imp roved P erforma nee ofRP

34、R P rotectio nC/IEEE. ICON 2004. IEEE P ublicatio n,2004:119-124.9 SHAH S,YIP M. RFC 3619-Extreme Networks' Ethernet Automatic P rotectionSwitchi ngEB/OL. (2003-10 2011-04-14. htt p: //rfcs/rfc3619.html.10 Extreme Networks,I nc. Extreme Networks White Paper: Ether net AutomaticProtec

35、tio n Switchi ng(EA PSEB/OL. (2006 2011-03-26.htt p: / 11 MARKUS Schaub,HARTMUT Kell. P roductAn alysis: HiPER Ring vs. RST P Redundancy P rocess with Hirschma nnSwitchesEB/OL. (2003-11 2011-04-23. htt p: /www.belde n. com/docs/u pload/Hi PER_Ri ng_vs_RST P_WP. pdf. 12 Hirschma nn Rhei nm etallElekt

36、ro nik. High Availability In dustrial Automation Networks white pap erEB/OL.2011-04-17. htt p: / pap ers/ Resilie nce_White. pdf.13江安倫.基于DCS的造紙自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)D.上海:上海交通大學(xué),2010.14 N-TRON Corporati on. N-TRON Ethernet Ring Redu nda ncyEB/OL. 2011- 03-19. htt p:/www. compp rof-rt nager/u pload/1242381292_

37、74. pdf. 15Kore nix Techno logy Co.,Ltd. Network Redu ndan cyEB/OL. 2011-03-25.htt p: /www.kore ni .br/jet net-high-tech-talk.htm.16薛旭.基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的功能塊設(shè)計與調(diào)度方法研究D.大連:大連理工大學(xué),2009.17章涵.EPA實時可靠通信協(xié)同調(diào)度與優(yōu)化研究D.杭州:浙江大學(xué),2010.18 Han gzhou H3C Techn ologies Co.,Ltd. RRPP Tech nology White Pap erEB/OL.(2007 2011-05-1

38、3. htt p: /www. ns/Tech nology/LAN/Technology_White_Paper/200810/618495_57_0.htm. 19吳 芹濤.ZESR 專題EB/OL. (2008 2011-05-16. htt p:/20福建星網(wǎng)銳捷網(wǎng)絡(luò)有限公司.REPR技術(shù) 白皮書V2.1EB/OL.(2011-01-20 2011-05-20. htt p:/ wen 21高強,薛百華.基于工業(yè)以太網(wǎng)的奧運配電通信平 臺J.儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量,2008(6:33-35. 22孫明剛. 工業(yè)以太網(wǎng)中冗余問題的研究D.重慶:西南大學(xué),2008.23 Contempora

39、ry Con trol Systems, Inc. The ABCs of Spanning TreeP rotocolEB/OL. (2006-02 2011-03-10. htt p:/ pdf.24匡昌武，方厚輝.冗余鏈路技術(shù)在工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用分析D.工業(yè)控制計算機,2007,20(3:18-19. 25王震宇,馬曉軍蔣烈輝.STP協(xié)議與生成樹設(shè)計與 優(yōu)化 J.信息工程大學(xué)學(xué)報，2003,4(1:66-68. 26王首頂.EMS/DMS系統(tǒng)中前置子系統(tǒng)的 工作模式研究C/中國電機工程學(xué)會.全國電力系統(tǒng)自動化學(xué) 術(shù)交流研討大會論 文集.北京:中國電機工程學(xué)會,2004:168-172.(

40、下轉(zhuǎn)第67頁2012.3信息安全與通信保密63Academic Research學(xué)術(shù)研究自主創(chuàng)新重點跨越技術(shù)發(fā)展引領(lǐng)未來該層應(yīng)對 預(yù)警監(jiān)管層的信息進行篩選、鑒別，根據(jù)科研保密預(yù)警評價指標(biāo)體系做出決策，確定應(yīng)急響應(yīng)方式，組織相關(guān)人員快速、準(zhǔn)確地執(zhí)行應(yīng)急預(yù)案。同時，分析一定時期內(nèi)高?？蒲斜Ｃ艿臄澄也┺膽B(tài)勢，對未來保密工作的發(fā)展趨勢進行預(yù)測，借助技術(shù)輔助手段，形成預(yù) 警管理的決策方案。同時，還應(yīng)完善高?？蒲斜Ｃ茴A(yù)警管理系統(tǒng)的支撐保 障體系，加強保密教育培訓(xùn)，采取案例分析和實證分析的方式讓涉密人員學(xué)習(xí)和掌握一定的情報與反情報技術(shù)和方法，提升涉密人員的預(yù)警意識和預(yù)警責(zé)任；整合并優(yōu)化科研保 密預(yù)警管理所需

41、的各項資源(人力、技術(shù)、設(shè) 備、組織等。可構(gòu)建一種能及早識別、預(yù)防或避免泄密事件，并將泄密事件所造成的危害限制在最低限度。高?？蒲斜Ｃ茴A(yù)警管理系統(tǒng)，可做到對已有的高?？蒲斜Ｃ芄芾砉ぷ鞯膹娀?。參考文獻1叢兵.要加強信息安全保密管理工作J.信息安全與通 信保密，2004(11: 6-7. 2李源，鄭鸝穜.高校開展科技保密工作實踐 研究J.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2006(3: 90-91. 3李洪敏，劉鴻強.新 時期科研機構(gòu)保密工作的難點及對 策J.信息安全與通信保密，2008(9: 69-71. 4 張英菊.應(yīng)急預(yù)案輔助設(shè)計及評價問題研究D.大連：大連理工大學(xué)，2011. 5 李晗，魏海燕

42、，潘煒.校園網(wǎng)絡(luò)中信息安全及保密問題 淺析J.信息安全與通信保 密，2011(3: 75-78.6劉鐵，張振華.國防科研涉密人員保密素質(zhì)影響因素 SEM 建模研究J.北京理工大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2010(8: 5-9.與設(shè)計J. 制造業(yè)自動化，2009, 31(4: 7-11. 33來曉，馮冬芹，褚健.分布式網(wǎng)絡(luò)故障檢測 及恢復(fù)技 術(shù)研究J.計算機工程與應(yīng)用，2010, 46(24: 73-76. 34 HUBERTKirrmann, OLIVER Kleinberg , KARL Weber , et al. HSR: Zero Recovery Time andLow-cost Redundancy for In dustrial Ethernet(High Availability Seamless Redu ndancyIEC 62439-3C/IEEE. ETFA 2009. Mallorca , Spain: IEEE Publication, 2009: 1-4.35姜立群，徐皚冬，宋巖，等.基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線 冗余技術(shù)研究J