工业以太网MRP协议及多主机制的研究.docx

工 业 以 太 网mp协议及多主机制的研究 study on media edundancy protocol and multiple media edundancy manager高 正 明张 庆 军包 伟 华( 上海自动化仪表股份有限公司，上海200072)摘 要: 针对工业通信网络高可用性的要求，采用 mp 协议组建的环型冗余网络，在故障发生时能够迅速建立起新的网络拓扑来恢复网络通信。通过研究 mp 协议给出的环型拓扑以太网网络冗余的解决方案，在介绍 mp 协议工作原理的基础上，研究了 mp 协 议的多主站连接时的协议机制。采用多主协议能够提高环网的可靠性，便于网络的管理和维护。关键词: 工业通信网络 高可用性 环网冗余 mp 协议 多主站中图分类号:tp29文献标志码:aabstract: in accordance with the requirement of high availability for industrial communication network，by adopting the redundant ring networkbased on media redundancy protocol ( mp) ; when any failure occurs，the communication can be recovered quickly via establishing a new network topology through studying the solution of ring topological ethernet redundancy given by mp，on the basis of introduction of the working principle of mp，the mechanism of multiple mm is studied with multiple mm，the reliability of the ring can be improved，and the management and maintenance of the network may be more convenientkeywords: industrial communication network high availabilitying redundancy media redundancy protocol ( mp)redundancy manager( mm)multiple media环中的 mp 兼 容 节 点 有 两 种 角 色: 媒 体 冗 余 管 理 者( media redundancy manager，mm ) 、媒 体 冗 余 客 户 ( media redundancy client，mc) 。mm 和 mc 的 角 色可以互相调换，但运行的网络中只允许一台 交 换 机 处于 mm 工作状态。mp 协议组成的环网在物理上连接成环，在 逻 辑 上实际处于链状结构，并且要避免形成环路。为了确保 链路故障恢复时网络在逻辑上不成环，当网络上链路发 生中断时，与该链路连接的两个 mc 环端口设为阻塞状态，以中止正常业务报文的转发。并且，mm 将原处 于阻塞状态的环端口设为转发状态，使 得 通 信 链 路 恢 复，实现冗余功能。当网络上链路故障恢复时，mm 在 检测到环闭的情况下将一环端口设为阻塞状态，此时， mc 再将原处于阻塞状态的环端口设为转发状态。为了提高协议鲁棒性，避免在链路接触不良时导致 协议时序的不确定性，在 mc 中设置两个暂态，单连接 暂态( de) 和双连接暂态( pt) ，即对应于只有一个环端 口连接时的暂态和对应于两个环端口都连接时的暂态。当 mc 只有一个环端口连接，并检测到另一环端口刚 连接时，先进入双连接暂态，启动连接定时器，在连接定 时器超时或者从站收到拓扑改变报文( topologychange) 后再达到双连接稳态( pt_idle) 。当 mc 两个环端口 都已连接，并检测到一环端口刚断开时，先进入单连接暂态，启动断开定时器，在断开定时器超时或者从站收0引言媒体冗余协 议 ( media redundancy protocol，mp) ，是基于环型拓扑的网络恢复 协 议，采用网络冗余的方 法提高网络的可用性。当环型网络中的交换机或交换 机内部的链路发生一个单一故障时，mp 协议能够在 一定的时间内确定性地恢复 网 络 的 功 能，满 足 工 业 网 络的可用性要求。随着技术和 应用需要的不断提高， mp 协议还定义了单环下的多个主站协议和机制，并 向 iec( 国 际 电 工 委 员 会 ) / sc65c / wg15 工 作 组 进 行 了提交。本文 的 主 要 内 容 就 是 简 要 介 绍 及 研 究 mp 的技术。mp 协议原理1媒体冗余协议( mp) ，是基于环型拓扑的网络恢复协议，典型的 mp 协议的冗余网络拓朴图如图 11 所示。环中 的 mp 兼 容 节 点 可 以 是 mp 兼 容 交 换 机，也可以是 mp 兼容终端节点，且必须有两个环 端 口。每个 mp 兼容节 点都能 够检测或恢复交换 机 内 部的链路故 障，也 能 够 检 测 或 恢 复 相 邻 节 点 的 故 障。修改稿收到日期: 20140626。第一作者高正明( 1959) ，男，1983 年毕业于上海市业余工业大学轻 工分校自动控制专业，获学士学位，高级工程师; 主要从事智 能 仪 表 及 自 动控制系统的研究。14pocess automation instumentation vol. 35 no. 8 august 2014工业以太网 mp 协议及多主机制的研究 高正明，等到拓扑改变报文( topologychange) 后再达到单连接稳态( de_idle) 。图 1 典型 mp 协议冗余网络拓朴图fig 1 topology of typical redundant mp network自身的两个环端口间转发这 3 种帧，以避免无限循环。mm 通过 mp_topologychange 帧向环中的 mc指示环状态的改变。mc 在环中的行为如下。 每个 mc 将一 个 端 口 收 到 的 mp _test 帧 转 发到另一个环端口，反之亦然。 如果 mc 检测到一个环端口链路的故障或恢 复，mc 可以 通 过 其 环 端 口 发 送 mp _linkchange 帧 通知这个链路的 改 变。每 个 mc 将 一 个 端 口 收 到 的 mp_linkchange 帧转发到另一个环端口，反之亦然。mm 和 mc 两个环端口具有下列 3 种状态。( 1)disabled: 所有的帧都被阻塞。( 2) blocked: 除了以下测试帧，其他帧都被阻塞。 来自 mm 的 mp_topologychange 帧和 mp_ test 帧。 来自 mc 的 mp_linkchange 帧。 ieee 802 1d 中 定 义 的 其 他 协 议 的 帧，如lldp、ptp。( 3) forwarding: 根 据 ieee 802 1d 的 转 发 行 为 转 发所有的帧。mm 通过以下步骤控制环的状态。 按照预先配置的时间周期，通过两个环端口向 环的两个方向发送 mp_test 帧。 将一个环端口设置为 forwarding 状 态，如 果 mm 接收到它自己 发 出 的 mp_test 帧，这 意 味 着 整 个环是闭 合 的 ( 见 图 1 ) ，则 将 另 一 个环端口设置为 blocked 状态。 如果 mm 在配置的时间内不能收到它自己发 出的 mp_test 帧，这意味着环 是 断 开 的1，则 将 两 个 环端口都设置为 forwarding 状态。mm 不会将 mp_test 帧、mp_topologychange 帧 和 mp_linkchange 帧转发到非环端口，并且也不会在其 每 个mc将 一 个 端 口 收 到 的mp _topologychange 帧 转 发 到 另 一 个 环 端 口，反 之 亦 然。同时，每个 mc 都需 要 处 理 这 种 帧，并 清 空 其 过 滤 数 据库( filtering data base，fdb) 。如 果 mm 收 到 了 mp _ linkchange 帧 ( mp _ linkup 和 mp_linkdown) ，mm 将 减 小 测 试 间 隔 时 间，加速发送 mp_test 帧检测环是否断开。mm 发 送 给 mc 的 mp _ topologychange 帧 是 带延时的，在这个时 间 以 后 环 的 拓 扑 才 被 改 变。表 示 这个延时的参数被称为 mp_interval。只有这个时间 耗尽以后，所有的 mc 才清空 fdb。mm 在一个断开的环中的状态如图 2 所示。图 2fig 2mm 在一个断开的环中的状态the state of mm in an opened ring自动化仪表第 35 卷第 8 期 2014 年 8 月15工业以太网 mp 协议及多主机制的研究 高正明，等者( media redundancy automanager，ma) 竞选机制。对于具备 mm 能 力 的 设 备，出 厂 时 其 缺 省 模 式 可 以 配 置成 ma 模式，这样在设备启 动 后 进 行 自 动 竞 选，直 到产生一个唯一的 mm，其他的作为 mc。启动时 mp 环 网 中 的 各 个 角 色 如 图 3 所 示3。 图 3的 mp 环网中有 2 个处于 ma 角色的设备。竞选 的主要原理就是每个 ma 定义了一个优先级的参数， 当两个设备优先级的参数相同时，比较设备的 mac 地 址，mac 地址越小，设备的优先级越高。ma 通过优先 级参数和 mac 地址的组合保证了优先级的唯一性。2单环多个主站的支持在环网中 有 多 个 mm ( mp 主 站) 的 情 况 下，由于 mm 会 阻 塞 环 端 口，多 个 mm 会 将 环 分 割 成 多 段，导致环网不能正常工作。所以，环网中只能有一个 是处于工作状态的 mm。可是，在环网中如果只有一 个 mm，当 mm 出现故障时，整个网络的状况将处于 未知的状况，这又会影响系统的可靠性。针对上述问题，mp 协议 引入了多主站的机制。具体来说，就是开始支持多主 站 的 媒体冗余自动管理 图 3 启动时 mp 环网中的各个角色fig 3 each role of mp ring at network startup设备启动后，ma 会将优先级参数放在 mp_test报文中进行发送，其他的 ma 在收到报文后，会将报文 中的优先级与自身的进行比较，如果比自己高，就放弃ma 的角色，进入 mc 的角色。竞选后 mp 环网中的各个角色如图 4 所示2。图 4 中，具有最高优先级的设 备的角色由 ma 转为 mm，并开始管理环网。图 4 竞选后 mp 环网中的各个角色fig 4 each role in mp ring after the election竞选机制 的 好 处 是，如 果 选 出 的 mm 不 在 网 络中或者出现故障时，网络中会自动进行重新竞选，上次 选举中第二优先级的设备会成为 mm。当新的 ma 设备加入到网络中 时，也 会 进 行 重 新 竞 选。如 果 一 个 不支持 ma 的 mm 加 入 到 网 络 中，所 有 的 ma 将 退回 到 mc 角 色，竞 选 取 消，保 证 环 网 中 mm 的 唯 一性。mm 主站竞选的过程如图 5 所示1。图 5 中共有4 个 ma 的 设 备，在 设 备 上 电 时 将 竞 选 mm。首 先4 个ma 都将向 2 个环端口发送包含自己优先级信息的 mp_test 报文，收到 mp_test 报文后不再转发而进行优先级比较。如果接收到的优先级低于自己的优先 级，则 发 送 负 响 应 报 文 mp _ testmgrnack。图 5 中， ma3 和 ma4 低 于 ma1 和 ma2 ，因 此 ma3 和 ma4 将收到相邻的 ma1 、ma2 的负响应报文。ma 收到负响应报文后，将记录高优先级 ma 的mac 地址和优先级，并将角色转换为 mc; 同时，通过2 个环端口向高优先级 ma 发送 mp_testpropagate 报 文。图 5 中，ma3 和 ma4 由于优先级低，将进入 mc 角色，同时开始正常转发 mp_test 报文。16pocess automation instumentation vol. 35 no. 8 august 2014工业以太网 mp 协议及多主机制的研究 高正明，等test 报文超时时，它 会 重 新 进 入 ma 角 色，并 发 动 新的 mm 竞选，实现了多主备份和冗余管理。图 5 中 的 ma3 和 ma4 进 入 到 mc 角 色 后， ma1 和 ma2 将可以看到相互的 mp_test 报文，ma1 和 ma2 将进行竞选，ma1 最终成为唯一的 mm。这时转换为 mc 的 ma 设备需要根据转发并接收到的 mp_test 监视并记录高优先级设备 的 生 存 状 态。同时，也需要根据 mp_testpropagate 来更新网络 中高优先级的设备。这样做的目的是监视高优先级的 设备的生存状态。当它发现高优先设备发送的 mp_图 5 主站竞选的过程fig 5 election process of the mm使用负响应报文进行握手的目的主要是保证高优先级的 ma 在环内，因为有可能有的交换机通过环端 口连接到环网中的非环端口。如果环网中交换机的非环端 口 没 有 进 行 报 文 过 滤，环 网 外 部 的 mp _test 报文将会被引入到环网中。环网外的 ma 如图 6 所示1。图 6 环网外的 mafig 6 the ma located outside mp ring图 6 中，实线箭头表示 mp_testframe: t1 、t2 ，虚线箭头 表 示 mp _ testmgrnack: na1 。 图 6 中 ma2自动化仪表第 35 卷第 8 期 2014 年 8 月就是 在 环 网 外 部 的 设 备 。 ma2 的 环 端 口 接 入 到mp 环 的 非 环 端 口 上 ，如 果 ma1 的 优 先 级 低 于17工业以太网 mp 协议及多主机制的研究 高正明，等ma2 的优先级，ma1 将 会 收 到 ma2 的 mp_test报文; 但 是 ma2 收 不 到 ma1 的 mp _ test 报 文， ma2 就不会发送负响 应 报 文 ，这 样 ma1 就 可 以 保 持在 mm 状 态。 如 果 ma1 的 优 先 级 高 于 ma2 ， 由于 ma2 收不到负响应 报 文 ，因 此 就 不 会 影 响 网 络的正常竞选。需要注意 的 是，在 mm 竞 选 时，为 了 避 免 环 路， ma 设 备 需 要 将 第 二 个 环 端 口 设 置 为 阻 塞 状 态。 mp_testpropagate 报文主 要用来防止转化为 mc 的 ma 所监视的高优先级设备转 化 为 mc 后，停 止 发 送 mp _ test 报 文，再 重 新 竞 选，导 致 网 络 出 现 迭 代 现象。ma 多主协议 的 实 施，给 设 备 和 维 护 也 提 供 了 便利，不一定 再 需 要 手 工 维 护 和 配 置 每 台 设 备 的 信 息，设备的添 加 和 移 除 也 可 以大大减少网络 维 护 的 工作量。参考文献1 iec 62439 industrial communication networks-high availability automation networks part 2: media redundancy protocol( mp) s 20102 hansen k edundancy ethernet in industrial automationc/ / proceedings of 10th ieee international conference on emerging technologies and factory automation etfa 2005，2005: 941 9473 seifert ，edwards j the all-new switch book: the complete guide to lanswitching technologym new jersey: john wiley sons，inc，20004 tanenbaum a s 计算 机 网 络m 熊 桂 喜，王 小 虎，译 3 版 北 京: 清华大学出版社，20035 cena g，valenzano a，vitturi s hybrid wired / wireless networks forreal-time communications j industrial electronics magazine，ieee，2008，2( 1) : 8 206 kirrmann h，hansson m，muri p iec 62439 pp: bumpless recovery for highly available，hard real-time industrial networksc/ / ieee conference on emerging technologies factory automation，etfa，2007: 139613997 程晓琳，徐用愚 现场总线控制网络模型与网络集 成j 测 控 技术，2000，19( 10) : 35 378 夏锋，孙优贤 基于交换式以太网实现多现场总线集 成j 电 力系统及其自动化学报，2003，15( 4) : 58 629 杨清宇 现场总线实时分布式控制网络技术研究d 西安: 西 安交通大学，200310prytz g edundancy in industrial ethernet networksc/ / proceedingsof 6th ieee international workshop on factory communication systemswfcs，2006: 38038511陆爱林，冯冬芹，荣冈，等 工业以太网的发展趋 势j 自 动 化 仪表，2004，25( 2) : 1 412郭俊能 宽带传输网络生存性及自愈技术研究d 重庆: 重 庆 大学，20003结束语mp 协议实 现 环 形 网 络 的 冗 余 ，与 传 统 的 生 成树协议 ( spanning tree protocol，stp) 和 快 速 生 成 树 协 议( rapid spanning tree protocol，stp) 相比，网络恢复 时间提高了一个数量 级，实 现了快速的网络恢复，能 够满足工业控制系通 过与通信网络的高 可 用 性的 要 求。mp 尤其支 持 多 主 站 ，实 现 了 通 信 链 路 的 冗 余 与通信设备 冗 余 的 结 合 ，也 极 大 地 方 便 了 设 备 的 管 理和维护。( 上接第 13 页)svm，与传统的 svm、ga-svm 相比，分类性能好，诊断 精度高，诊断时间短，可识别 风机转子的不同状态，对 冶金风机故障诊断具有很强 的 实 际 应 用 价 值，为 风 机 智能诊断提供了一种新的途径。参考文献1 董华，苏海涛 基于 svm 的旋转机械故障诊断方法研究j 仪 器仪表学报，2007，28( 4) : 175 1972 杨超，王志伟 基于小波分析和模糊神经网络的齿 轮 故 障 诊 断 研究j 噪声与振动控制，2010，30( 4) : 64 673 ama ao k，ariff yahya m neural networks applied