工业以太网冗余原理分析及解决机制

1、引言

在一个桥接的局域网里，为了增强可靠性，必然要建立一个冗余的路径，网段会用冗余的网桥连接。但是，在一个透明桥桥接的网络里，存在冗余的路径就能建立一个桥回路，桥回路对于一个局域网是致命的。它会带来如下问题：

A.广播风暴
B.同一帧的多份拷贝
C.不稳定的MAC地址表

因此，在交换网络中必须有一个机制来阻止回路。

2、生成树协议

生成树协议就是IT界中常用的机制.生成树协议是一种桥嵌套协议，在IEEE 802.1d规范里定义，可以用来消除桥回路。它的工作原理是这样的：生成树协议定义了一个数据包，叫做桥协议数据单元BPDU（Bridge Protocol Data Unit）。网桥用BPDU来相互通信，并用BPDU的相关机能来动态选择根桥和备份桥。但是因为从中心桥到任何网段只有一个路径存在，所以桥回路被消除。

在一个生成树环境里，桥不会立即开始转发功能，它们必须首先选择一个桥为根桥，然后建立一个指定路径。在一个网络里边拥有最低桥ID的将变成一个根桥，全部的生成树网络里面只有一个根桥。根桥的主要职责是定期发送配置信息，然后这种配置信息将会被所有的指定桥发送。这在生成树网络里面是一种机制，一旦网络结构发生变化，网络状态将会重新配置。

当选定根桥之后，在转发数据包之前，它们必须决定每一个网段的指定桥，运用生成树的这种算法，根桥每隔2秒钟从它所有的端口发送BPDU包，BPDU包被所有的桥从它们的根端口复制过来，根端口是接根桥的那些桥端口。BPDU包括的信息叫做端口的COST，网络管理员分配端口的COST到所有的桥端口，当根桥发送BPDU的时候，根桥设置它的端口值为零。然后沿着这条路径，下一个桥增加它的配置端口COST为一个值，这个值是它接收和转发数据包到下一个网段的值。这样每一个桥都增加它的端口的COST值为它所接收的BPDU的包的COST值，所有的桥都检测它们的端口的COST值，拥有最低端口的COST值的桥就变为了指定的桥。拥有比较高端口COST值的桥置它的端口进入阻塞状态，变为了备份桥。在阻塞状态，一个桥停止了转发，但是它会继续接收和处理BPDU数据包。

IEEE 802.1D规范包括了生成树算法（Spanning Tree Algorithm，STA），这是一种确保转发循环永远不会发生的机制。 STA使用网桥协议数据单元（Bridge Protocol Data Units，BPDU），自动配置网桥上处于转发或阻塞状态的独立端口。BPDU是网桥发送到一个已保存的多播MAC地址（对于以太网，这个地址是01-80-C2-00-00-00）的消息，所有透明网桥都会侦听该地址。在阻塞状态下，端口不会获悉或转发已接收到的帧。STA的最终结果是一个无循环的桥接环境，不管局域网网段拓扑结构是否改变，这个环境总是一直存在。生成树算法,决定了网络链路故障恢复时间,最少不低于15秒。

生成树的状态:

运行生成树协议的交换机上的端口，总是处于下面五个状态中的一个：

阻塞：所有端口以阻塞状态启动以防止回路，由生成树确定哪个端口切换为转发状态，处于阻塞状态的端口不转发数据帧但可接受BPDU。
监听：不转发数据帧，但检测BPDU（临时状态）。
学习：不转发数据帧，但学习MAC地址表（临时状态）。
转发：可以传送和接受数据数据帧。
禁用：通常由于端口故障或交换机配置错误引起.

3、Supreme-Ring协议

Supreme-Ring协议是在工业以太网使用的冗余机制。Supreme-Ring协议和生成树协议有点相似，Supreme-Ring协议也定义了一种数据包，称为HELLO包，又称为WD包（Watch Dog Packets)。交换机之间用HELLO包通信，在主交换机上动态选择主链路和备份链路。但是因为从中心桥到任何网段只有一个路径存在，所以桥回路被消除。

在工业冗余环网网络环境里,交换机不会立即开始转发功能,主交换机(Local)由手动指定,选择主链路和备份链路建立一个指定路径,由Supreme-Ring协议自动指定。一个工业冗余环网网络里面只能有一个主交换机(Local)。主交换机(Local)会定期发送配置信息，这种配置信息将会被所有的从交换机（Remote）发送。一旦网络结构发生变化，网络状态将会重新配置。

当指定主交换机(Local)之后，在转发数据包之前，所有端口都以阻塞方式启动。运用Supreme-Ring算法，主交换机(Local)选择最低COST值的端口作为主链路，另一条COST值高的端口作为备份链路。备份链路不转发数据，只接收和处理HELLO包，处于热备（Hot Standby）状态。从交换机（Remote）没有主链路和备份链路的区别。Supreme-Ring协议是一种简洁高效的冗余协议，能够保证环网在链路故障时，在300ms之内恢复网络通信。

Supreme-Ring的状态：

运行Supreme-Ring协议的交换机上的端口，总是处于下面四个状态中的一个：

阻塞：所有端口以阻塞状态启动以防止回路，处于阻塞状态的端口不转发数据帧但可接受HELLO包。
热备：不转发数据帧，但学习MAC地址表，在主链路故障时，在300ms之内，立刻进入转发状态。
转发：可以传送和接受数据数据帧。
禁用：通常由于端口故障或交换机配置错误引起。

4、结束语

工业网络环境需要快速反应冗余机制，生成树协议的15秒恢复时间，不能满足工业环境要求。只有采用Supreme-Ring协议才是工业网络环境的最佳冗余机制。