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交换机网络拓扑结构比较测试研究 摘要：对总线型、星型、混合型这三种交换机网络拓扑结构，选取罗杰康公司RSG2300交换机、东土公司SICOM3024交换机分别构成两套交换机模型，进行性能测试。分析结果显示：目前这两款主流交换机，在不同的组网方式下、级联台数达到10台时，均能保证性能满足变电站的通讯传输要求；并根据传输延时呈线性递增的特性，推算出了交换机的最大级联数目。 分类号：F224.33 文献标识码：A-E 文章编号：2095-2104（2011）12-08601 近年来，随着我国电力需求快速增长，电网建设步伐不断加快，变电站内的交换机数量也随着基建、技改工程而不断增加。因此，了解变电站内交换机网络拓扑结构的通讯特性显得尤为重要。本文选取了两款常用的工业交换机，搭建星型、总线型、混合式三种网络拓扑结构进行比较检测，从中找出性能上的差异，为变电站网络拓扑结构的合理设计提供依据。 1 变电站网络拓扑结构 变电站自动化系统中常用的网络拓扑结构包括总线型拓扑、环型拓扑、星型拓扑以及混合型拓扑结构。 1.1总线型拓扑结构 总线型拓扑结构网络中交换机通过其自身的级联口与前或者后交换机级联。 1)优点。组网方便，在实际使用中可以使用较短的连接线连接到中心交换机。 2)缺点。对于单总线型网络。不存在通信网络上的冗余。网络中如果其中一个连接丢失，与之下行链路相连的每个设备的连接也随之丢失。另外。对于实时性要求较高的系统，要充分考虑到系统的最大级联层数，即系统中所容许的最大延时。 1.2环型拓扑结构 环型拓扑结构在连接方面除头尾交换机相连外，与总线型结构相似。环形结构在一定程度上提供了链路上的冗余，提供了一定程度的自愈能力。但是，在实际运行中的路径并不是环路(前提是网络中的交换机必须符合诸如IEEE8021d、IEEE 8021w的支撑树协议)，否则将会导致一些帧在网络中不停循环传输，从而形成网络风暴，影响网络的性能。因此，符合IEEE 8021d或者IEEE 8021w协议的交换机在通过阻塞某些端口在逻辑上等同于总线型结构。只是在一个连接丢失时具有冗余的特点。 1)优点。在实际工程中组网较为简单，具有部分自愈能力。 2)缺点。与总线型结构类似。如果应用时间要求比较苛刻的环境，就要考虑级联时的最坏网络延时。另外，虽然IEEE 8021w快速支撑树协议的应用大大缩短了网络的重配置时间，系统的还是会出现较长的延时。在变电站等一些实时性要求较高的领域，要谨慎使用唤醒脱坡结构。 1.3星型拓扑结构 星型拓扑结构的主交换机在网络中处于骨干交换机的地位。其他的所有交换都与其连接以形成一个拓扑结构。 1)优点。为用户提供了最小的网络延时。网络中属于不同交换机的任何2个设备之间通信仅仅需要两跳。 2)缺点。没有网络冗余，如果骨干交换机故障，则所有与其相连的交换机都将成为网络孤岛，或者如果一个上行链路故障。则与其相连的所有设备将丢失。 1.4混合型拓扑结构 混合型拓扑结构一般由星型和总线型组成此种网络结构在骨干层采用总线网络，在其他部分采用星型结构。 1)优点。充分利用了星型网络的最小延时和总线型网络的组网方便的优点，在工作中能够承受不同程度的故障，而确保连接在上面的设备不会丢失。 2)缺点。成本较高，实际中组网较为复杂，不方便运行中的网络维护。 以上所述几种网络拓扑结构都是从交换机的角度出发分析网络的性能，在变电站自动化系统的实际应用中。可以通过交换机的双重配置实现网络的冗余，如双总线型、双星型等。 2 网络拓扑结构性能测试方法 2.1交换机 使用罗杰康公司的RSG2300交换机十台、东土公司的SICOM3024交换机十台，分别构建两套测试交换机网络。 2.2测试仪器 使用SmartBits 600B交换机性能测试仪器。由一台SmartBits 600B的通讯口模拟背景流量，另一台SmartBits 600B的通讯口进行测试帧的收发，进行性能测试。 2.3测试方式 2.3.1基本测试 吞吐量测试：测试64字节、256字节、512字节和1518字节几种常用的以太网帧长度，从满负载开始进行测试，检测在可接受丢包率下发送和接收的最大速率。 传输延时测试：测试帧长为64、256、512、1518字节，分别在无丢包的传输速率下的传输延时， 要求传输延时2ms。 丢包率测试：测试帧长为64、256、512、1518字节，分别在持续10秒的10M、40M、70M、100M网络负载下的丢包率以及无丢包的最大网络负载率。 2.3.2网络风暴测试 风暴抑制功能测试: 具有网络风暴抑制功能和抑制策略，要求将网络风暴的数据流抑制到1000kbps以下。 风暴传输延时测试：测试帧长为64、256、512、1518字节，分别在无丢包的传输速率下的传输延时，要求传输延时2ms。 风暴丢包率测试：测试帧长为64、256、512、1518字节，分别在持续10秒的10M、40M、70M、100M网络负载下的丢包率以及无丢包的最大网络负载率。 3统计分析与测试结果 3.1基本测试数据分析 两款交换机在在总线型、星型、混合型的不同接线方式下，吞吐量在64/256/512/1518帧长、无丢包情况下，均能达到100%；丢包率在64/256/512/1518帧长、10M/40M/70M/100M负载情况下，均能达到无丢包的要求；传输延时在64/256/512/1518帧长、10M/40M/70M/100M负载情况下，均能达到2ms的要求。在网络风暴下的总线型、星型、混合型的对比测试中，罗杰康、左岸交换机也均通过了风暴抑制功能、传输延时测试及丢包率测试。因数据量较大，在此不进行罗列。 3.2交换机最大级联层数分析 因交换机级联层数增多至10层时,两厂家交换机的丢包率、吞吐量性能均100%通过，因此采用传输延时来作为分析对象。选取测试帧长为1518字节的值做为比较数据。因数据量较大，下面只展示部分数值。 3.2.1数据分析一（测试负载率为70%） 表一为传输延时性能数值，根据数值计算出两款交换机的性能线性公式，并推算出接近2ms的极限台数。图一为根据数值采样绘出的传输延时性能曲线。 表一 传输延时性能数值 交换机数量 传输延时(us) 数据来源 罗杰康RSG2300 东土sicom3024 1台 29.4 1.6 实测 3台 279.4 249.4 实测 5台 527.8 495.3 实测 10台 1178.5 1113.4 实测 16台 1938 1848 推算数据 17台 1971 推算数据 线性公式 y=127x-94 y=123x-120 图一 传输延时性能曲线 3.2.2数据分析二（测试负载率为100%） 表二为传输延时性能数值，根据数值计算出两款交换机的性能线性公式，并推算出接近2ms的极限台数。图二为根据数值采样绘出的传输延时性能曲线。 表二 传输延时性能数值 交换机数量 传输延时(us) 数据来源 罗杰康RSG2300 东土sicom3024 1台 30.2 1.7 实测 3台 458.1 249.3 实测 5台 709.5 495.6 实测 10台 1386.5 1113.7 实测 14台 1954 1602 推算数据 17台 1971 推算数据 线性公式 y=142x-34 y=123x-120 图二 传输延时性能曲线 3.2.3结论 无论采用总线型、星型或混合型组网方式，传输延时均随着交换机级联层数增加，呈线性递增；以2000us的要求，推算出70%负载率时，罗杰康交换机的级联层数上限是16台交换机，东土是17台；100%负载率时，罗杰康交换机的级联层数上限是14台交换机，东土是17台。 3.3交换机传输特性分析 使用在64/256/512/1518帧长，10M/40M/70M/100M负载情况下的延时测试数据，对传输特性进行分析。因数据量较大，在此不进行罗列。 3.3.1星型组网测试 图三为根据数值采样绘出的传输特性曲线。 图三 传输特性曲线（星型） 3.3.2总线型组网测试 图四为根据数值采样绘出的传输特性曲线。 图四 传输特性曲线（总线型） 3.4结果分析 从基本测试、最大级联层数和传输特性分析来看，两款交换机均取得不错的成绩。东土交换机在数据上略微占有优势，罗杰康分数略低，根据设计原理分析，罗杰康基于稳定性的考虑，使用了两片通信处理芯片串联的电气连接形式，导致了性能的略微下降。由于本次试验设备不足，未进行稳定性测试。 4 结论 目前东土的SICOM3024及罗杰康的RSG2300这两款主流交换机，在不同的组网方式下、级联层数达到10层时，仍能保证性能满足变电站的通讯传输要求。这样根据星型、总线型级联方式的不同物理特性，在变电站实际通讯网络搭建应用中，我们就可以进行灵活的选择和搭配了。 = IEC 61850在智能变