工业以太网交换机在电力综合自动化系统中的应用及环网技术.doc

目 录目 录- 1 -前 言- 3 -一、工业以太网技术的现状与发展- 4 -1、 工业以太网技术发展现状- 4 -1.1通信确定性与实时性- 4 -1.2稳定性与可靠性- 5 -1.3工业以太网协议- 5 -二、工业交换机概述- 8 -1、工业交换机简介- 8 -2、工业交换机组网方式- 8 -3、工业交换机分类- 8 -3.1非管理型交换机 (Unmanaged Switch)- 8 -3.2管理型交换机 (Managed Switch)- 9 -3.2.1 通过串口管理- 9 -3.2.2 通过Web管理- 10 -3.2.3 通过网管软件管理- 10 -三、工业交换机与传统交换机性能对比- 11 -四、术语和定义- 13 -4.1 术语- 13 -4.2缩略语- 14 -五、G.8032环网保护流程- 15 -5.1链路失效- 15 -链路失效- 15 -链路失效恢复- 16 -5.2单向链路失效- 17 -单向链路失效- 17 -单向链路失效恢复- 17 -5.3 RPL链路失效- 18 -RPL链路失效- 18 -RPL链路恢复- 19 -5.4 多链路失效恢复- 21 -六、快速以太环网保护介绍226.1概述226.2 环网保护协议类型226.3 环网保护协议配置须知23七、EAPS协议介绍247.1EAPS相关概念247.1.1环网节点角色247.1.2环网端口角色257.2EAPS报文类型267.3EAPS环网保护机制277.3.1主节点环路探测与控制277.3.2传输节点链路失效通知287.3.3传输节点链路恢复28八、EAPS配置298.1EAPS配置须知298.2EAPS配置任务308.3EAPS配置308.3.1配置主节点308.3.2配置传输节点328.3.3配置环网端口338.3.4查看环网保护协议状态348.4EAPS配置示例358.4.1配置示例35九、ERPS协议介绍389.1ERPS相关概念389.1.1环网结点角色389.1.2环网端口角色399.1.3控制VLAN与数据VLAN399.2ERPS报文类型409.3ERPS环网保护机制409.3.1稳定状态409.3.2本地链路失效处理409.3.3本地链路恢复处理419.3.4倒换恢复处理41十、ERPS配置4210.1ERPS配置须知4210.2ERPS配置任务4210.2.1配置环网节点4210.2.2配置环网端口4410.2.3查看环网保护协议状态4510.3ERPS配置示例4610.3.1配置示例46前 言随着以太网技术的迅速发展及其在商用领域的应用日渐广泛，越来越多的电力综合自动化系统也逐渐使用以太网并采用协议作为主要的通信标准。虽然应用于电力综合自动化系统领域的以太网标准与商用以太网相同，但在电力综合自动化系统领域，还需要网络能在比较恶劣的工作环境下稳定地工作。因此，用来连接电力综合自动化系统的网络产品需要经过特别设计，才能提供工业级的可靠性，以满足长期连续运行的需求。另外，在工业控制领域，所需连接的设备分布较分散，单个地方连接设备少，这就对支持光纤冗余环路的端口的光纤网络交换机产品有了较大需求。为了实现光纤冗余环路功能，需要采用高性能的微处理器实现网络的管理和控制功能，并采用高性能的网络交换芯片实现基本的/1000M以太网交换功能。一、工业以太网技术的现状与发展1、 工业以太网技术发展现状 所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。 随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet技术也得到了迅速的发展，Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发展，给解决Ethernet通信的非确定性问题带来了希望，并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面： 1.1通信确定性与实时性 工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞检测方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为非确定性的网络。 然而，快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。首先，Ethernet的通信速率从10M、100M增大到如今的1000M、10G，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降。其次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。Ethernet交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞；同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其它网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次，全双工通信又使得端口间两对双绞线（或两根光纤）上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在（全双工通信），或碰撞机率大大降低（半双工），因此使Ethernet通信确定性和实时性大大提高。1.2稳定性与可靠性 Ethernet进入工业控制领域的另一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计（如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等），故商用网络产品不能应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。 随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。为了解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络也能稳定工作的问题，美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann、JetterAG等公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品，安装在标准DIN导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固的DB-9结构。台湾四零四科技(MoxaTechnologies)在2002年6月推出工业以太网产品MOXAEtherDeviceServer（工业以太网设备服务器），特别设计用于连接工业应用中具有以太网络接口的工业设备（如PLC、HMI、DCS系统等）。最近刚刚发布的IEEE802.3af标准中，对Ethernet的总线供电规范也进行了定义。此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。 1.3工业以太网协议 由于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统，而且还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。它除了完成数据传输之外，往往还需要依靠所传输的数据和指令，执行某些控制计算与操作功能，由多个网络节点协调完成自控任务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求，满足互操作条件。 对应于ISO/OSI七层通信模型，以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层；而在其之上的网络层和传输层协议，目前以TCP/IP协议为主（已成为以太网之上传输层和网络层“事实上的”标准）。而对较高的层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定。目前商用计算机设备之间是通过FTP（文件传送协议）、Telnet（远程登录协议）、SMTP（简单邮件传送协议）、HTTP（WWW协议）、SNMP（简单网络管理协议）等应用层协议进行信息透明访问的，它们如今在互联网上发挥了非常重要的作用。但这些协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。 为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在Ethernet+TCP/IP协议之上，建立完整的、有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务，形成为广大工控生产厂商和用户所接收的应用层、用户层协议，进而形成开放的标准。为此，各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和TCP/IP技术，以及原有的低速现场总线应用层协议，从而构成了所谓的工业以太网协议，如HSE、PROFInet、Ethernet/IP等。 (1) HSE(HighSpeedEthernet，高速以太网) HSE是现场总线基金会在摒弃了原有高速总线H2之后的新作。FF现场总线基金会明确将HSE定位成实现控制网络与互联网Internet的集成。由HSE链接设备将H1网段信息传送到以太网的主干上并进一步送到企业的ERP和管理系统。操作员在主控室可以直接使用网络浏览器查看现场运行情况。现场设备同样也可以从网络获得控制信息。 HSE在低四层直接采用以太网+TCP/IP，在应用层和用户层直接采用FFH1的应用层服务和功能块应用进程规范，并通过链接设备(LinkingDevice)将FFH1网络连接到HSE网段上，HSE链接设备同时也具有网桥和网关的功能，它的网桥功能能用来连接多个H1总线网段，使不同H1网段上的H1设备之间能够进行对等通信而无需主机系统的干预。HSE主机可以与所有的链接设备和链接设备上挂接的H1设备进行通信，使操作数据能传送到远程的现场设备，并接收来自现场设备的数据信息，实现监控和报表功能。监视和控制参数可直接映射到标准功能块或者“柔性功能块”(FFB)中。 (2) PROFInet Profibus国际组织针对工业控制要求和Profibus技术特点，提出了基于以太网的PROFInet，它主要包含3方面的技术：基于通用对象模型(COM)的分布式自动化系统；规定了Profibus和标准以太网之间的开放、透明通信；提供了一个包括设备层和系统层、独立于制造商的系统模型。PROFInet采用标准TCP/IP+以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPCDCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。现有的Profibus网段可以通过一个代理设备(proxy)连接到PROFInet网络当中，使整套Profibus设备和协议能够原封不动地在PROFInet中使用。传统的Profibus设备可通过代理proxy与PROFInet上面的COM对象进行通信，并通过OLE自动化接口实现COM对象之间的调用。 (3) Ethernet/IP Ethernet/IP（以太网工业协议）是主推ControlNet现场总线的RockwellAutomation公司对以太网进入自动化领域做出的积极响应。Ethernet/IP网络采用商业以太网通信芯片、物理介质和星形拓扑结构，采用以太网交换机实现各设备间的点对点连接，能同时支持10Mbps和100Mbps以太网商用产品，Ethernet/IP的协议由IEEE802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和控制与信息协议CIP(ControlInformationProtocol)等3个部分组成，前面两部分为标准的以太网技术，其特色就是被称作控制和信息协议的CIP部分。Ethernet/IP为了提高设备间的互操作性，采用了ControlNet和DeviceNet控制网络中相同的CIP，CIP一方面提供实时I/O通信，一方面实现信息的对等传输，其控制部分用来实现实时I/O通信，信息部分则用来实现非实时的信息交换。二、工业交换机概述1、工业交换机简介工业交换机，也称工业以太网交换机(Industrial Ethernet Switches)，即应用于工业控制领域的以太网交换机设备，由于采用的网络标准其开放性好、应用广泛以及价格低廉、使用的是透明而统一的TCP/IP协议，以太网已经成为工业控制领域的主要通信标准。是可以满足工业现场需要，技术上与商业以太网交换机兼容，而实时通讯、可靠性、稳定性、安全性、环境适应性等各方面要求高于商业以太网交换机的一种以太网设备。本身与商业网络在数据链路层、网络层、协议层等方面并无本质区别，但针对工业控制的实时性等需求，工业以太网解决了通信实时性、网络安全性、本质安全与安全防爆技术等技术问题，并且采用一些适合于工业环境的措施，如防水，抗振动，抗高温，抗电磁，防雷击，支持环网等特性。2、工业交换机组网方式工业以太网交换机专门为满足灵活多变的工业应用需求而设计，提供一种高性价比工业以太网通讯解决方案。而其组网方式则更重点关注于环路设计。环路有单环和多环的区别，同时亦有在STP和RSTP基础上，各个厂家设计的私有环路协议，如FRP环，turbo环等。3、工业交换机分类3.1非管理型交换机 (Unmanaged Switch)集线器的发展产生了一种叫非管理型交换机的设备。它能实现消息从一个端口到另一个端口的路由功能，相对集线器更加智能化。非管理型交换机能自动探测每台网络设备的网络速度。另外，它具有一种称为“MAC地址表”的功能，能识别和记忆网络中的设备。换言之，如果端口2收到一条带有特定识别码的消息，此后交换机就会将所有具有那种特定识别码的消息发送到端口2。这种智能避免了消息冲突，提高了传输性能，相对集线器是一次巨大的改进。然而，非管理型交换机不能实现任何形式的通信检测和冗余配置功能。 3.2管理型交换机 (Managed Switch)以太网连接设备发展的下一代产品是管理型交换机。相对集线器和非管理型交换机，管理型交换机拥有更多更复杂的功能，价格也高出许多通常是一台非管理型交换机的34倍。管理型交换机提供了更多的功能，通常可以通过基于网络的接口实现完全配置。它可以自动与网络设备交互，用户也可以手动配置每个端口的网速和流量控制。一些老设备可能无法使用自动交互功能，因此手动配置功能是必不可缺的。 绝大多数管理型交换机通常也提供一些高级功能，如用于远程监视和配置的SNMP(简单网络管理协议)，用于诊断的端口映射，用于网络设备成组的VLAN(虚拟局域网)，用于确保优先级消息通过的优先级排列功能等。利用管理型交换机，可以组建冗余网络。使用环形拓扑结构，管理型交换机可以组成环形网络。每台管理型交换机能自动判断最优传输路径和备用路径，当优先路径中断时自动阻断(block)备用路径。 可网管交换机可以通过以下几种途径进行管理：通过RS-232 串行口（或并行口）管理、通过网络浏览器管理和通过网络管理软件管理。 3.2.1 通过串口管理 可网管交换机附带了一条串口电缆，供交换机管理使用。先把串口电缆的一端插在交换机背面的串口里，另一端插在普通电脑的串口里。然后接通交换机和电脑电源。在Windows 98和Windows 2000里都提供了“超级终端”程序。打开“超级终端”，在设定好连接参数后，就可以通过串口电缆与交换机交互了，如图1所示。这种方式并不占用交换机的带宽，因此称为“带外管理”（Out of band）。 在这种管理方式下，交换机提供了一个菜单驱动的控制台界面或命令行界面。你可以使用“Tab”键或箭头键在菜单和子菜单里移动，按回车键执行相应的命令，或者使用专用的交换机管理命令集管理交换机。不同品牌的交换机命令集是不同的，甚至同一品牌的交换机，其命令也不同。使用菜单命令在操作上更加方便一些。 3.2.2 通过Web管理 可网管交换机可以通过Web（网络浏览器）管理，但是必须给交换机指定一个IP地址。这个IP地址除了供管理交换机使用之外，并没有其他用途。在默认状态下，交换机没有IP地址，必须通过串口或其他方式指定一个IP地址之后，才能启用这种管理方式。 使用网络浏览器管理交换机时，交换机相当于一台Web服务器，只是网页并不储存在硬盘里面，而是在交换机的NVRAM里面，通过程序可以把NVRAM里面的Web程序升级。当管理员在浏览器中输入交换机的IP地址时，交换机就像一台服务器一样把网页传递给电脑，此时给你的感觉就像在访问一个网站一样，如图2所示。这种方式占用交换机的带宽，因此称为“带内管理”（In band）。 如果你想管理交换机，只要点击网页中相应的功能项，在文本框或下拉列表中改变交换机的参数就可以了。Web管理这种方式可以在局域网上进行，所以可以实现远程管理。 3.2.3 通过网管软件管理 可网管交换机均遵循SNMP协议（简单网络管理协议），SNMP协议是一整套的符合国际标准的网络设备管理规范。凡是遵循SNMP协议的设备，均可以通过网管软件来管理。你只需要在一台网管工作站上安装一套SNMP网络管理软件，通过局域网就可以很方便地管理网络上的交换机、路由器、服务器等。通过SNMP网络管理软件的界面如图3所示，它也是一种带内管理方式。 可网管交换机的管理可以通过以上三种方式来管理。究竟采用哪一种方式呢？在交换机初始设置的时候，往往得通过带外管理；在设定好IP地址之后，就可以使用带内管理方式了。带内管理因为管理数据是通过公共使用的局域网传递的，可以实现远程管理，然而安全性不强。带外管理是通过串口通信的，数据只在交换机和管理用机之间传递，因此安全性很强；然而由于串口电缆长度的限制，不能实现远程管理。所以采用哪种方式得看你对安全性和可管理性的要求了。三、工业交换机与传统交换机性能对比商用交换机工业交换机安装和连接专用网络机柜内连接标准的台式机工作站打印机等 现场安装（控制柜内或直接安装于自动化设备上，环境恶劣，某些场合甚至要求满足IP67防护等级） 连接离散的控制设备和I/O使用寿命 几年或十几年（没有相应标准可遵循） 风扇散热 备件更换：3年 电源(220VAC) MTBF20年以上（基于MIL-HDBK217F），有些甚至长达100年以上 无风扇散热 备件更换：10年冗余的电源(24/48VDC，110/220VAC等)工作环境 良好（机房恒温，恒湿） 无振动、冲击 无重机械负载、无化学物质腐蚀 较低的抗电磁干扰能力 普通或宽温(-40- +70/+85) 有具体的抗振动、抗冲击要求 牢固的重机械负载设计、防某些化学物质腐蚀 较强的抗电磁干扰能力工业认证 一般的标准 工业EMC标准冗余要求 一般没有冗余或仅仅有核心冗余 多种冗余方式的结合拓朴结构 星型 总线型 树型 星型 双星型 环形 双环型冗余技术 STP（生成树） RSTP（快速生成树） Link Aggregation（链路聚合） VRRP（虚拟路由冗余协议） STP、RSTP HIPER-RingRedundant Network/Ring Coupling(网络耦合) Link Aggregation（链路聚合） VRRP（虚拟路由冗余协议）时钟传输简单时钟传输(NTPSNTP)精密时钟传输(PTP)网管功能SNMP协议SNMP协议OPC管理协议四、术语和定义4.1 术语电力工业以太网交换机 electric power industrial Ethernet switch在电力系统内应用于数据链路层，以MAC地址寻址来完成帧转发，帧过滤的工业级设备。存储转发 storage-forward当整个帧已完全接收，再进行冗余码校验、过滤和转发处理的一种转发方式。吞吐量 throughput设备在不丢帧情况下所能达到的最大传输速率。时延 latency从输入帧的最后一个比特到达输入端口开始，至在输出端口上检测到输出帧的第一个比特为止的时间间隔。 背靠背帧 back to back frame设备在最小帧间隔情况下，一次能够转发的最多的长度固定的数据帧。虚拟局域网 virtual local area network一种通过将局域网内的设备逻辑地划分成多个网段（子集）从而实现虚拟工作组的技术。快速生成树协议 rapid spanning tree protocol即IEEE 802.1w标准。通过名为快速生成树的算法将环形网络修剪成无环的树形网络；这种协议在网络结构发生变化时，能更快的收敛网络，因而可以避免局域网中的网络环回，解决成环以太网网络的“广播风暴”问题。4.2缩略语交换机电力工业以太网交换机GOOSEGeneric Object Oriented Substation Events面向变电站事件的通用对象LANLocal Area Network局域网MACMedia Access Control媒体访问控制MSTPMultiple Spanning Tree Protocol多生成树协议QoSQuality of Service服务质量RSTPRapid Spanning Tree Protocol快速生成树协议SNMPSimple Network Manage Protocol简单网络管理协议VIDVirtual LAN Identifier虚拟局域网标识符VLANVirtual Local Area Network虚拟局域网五、G.8032环网保护流程5.1链路失效链路失效链路失效A、正常情况。B、链路失效。C、节点C和D检测到本地链路失效（SF），阻塞失效的端口然后执行FDB Flush。D、在链路保持失效状态的情况下，C和D持续发送SF消息。E、所有收到SF消息的节点执行FDB Flush，环网保护链路（RPL）所在节点收到SF消息后，解除RPC的阻塞状态，然后执行Flush。F、稳定状态，环网上持续SF消息。G、新的SF消息不再触发新的行为。链路失效恢复链路失效恢复A、稳定的SF状态。B、链路状态恢复。C、节点C和D检测到本地链路恢复，启动保护定时器（Guard Timer），并持续向两个环网接口发送NR（No Request）消息。（保护定时器生效时节点不再接收环网保护消息R-APS）D、RPL所在节点收到NR消息后，启动WTR定时器（Wait To Restore Timer）。E、C和D的Guard定时器超时后，它们可以接收新的R-APS消息。F、WTR定时器超时后，RPL所在节点将RPL链路阻塞，发送NR RB（No Request，RPL Blocked）消息，然后Flush FDB。G、节点C和D收到NR RB消息，解除端口的阻塞状态，然后停止发送NR消息。节点A到F在收到NR RB消息后都执行FDB Flush。5.2单向链路失效单向链路失效单向链路失效A、正常状态。B、从节点D到C方向上链路失效，从C到D方向正常。C、节点C检测到本地链路失效，将失效的端口阻塞，节点D无动作。D、节点C开始在两个环网端口上持续发送SF消息，并执行FDB Flush。E、RPL所在节点收到SF消息，解除对RPL接口的阻塞然后Flush FDB。所有非RPL所在节点收到SF消息后都进行FDB Flush。F、稳定状态，环网上持续SF消息。单向链路失效恢复单向链路失效恢复A、稳定的SF状态。B、链路状态恢复。C、节点C检测到本地链路恢复，启动Guard定时器并开始持续向两个环网端口发送NR消息。（Guard定时器超时前C不再接收R-APS保护信息）D、RPL所在节点收到NR消息后启动WTR定时器。E、C的Guard定时器超时后，C可以接收新的R-APS消息。F、WTR定时器超时后，RPL所在节点阻塞RPL链路，发送NR RB消息并Flush FDB。G、C收到NR RB消息后，解除链路的阻塞状态并停止发送NR消息。所有收到NR RB消息的非RPL节点执行FDB Flush。5.3 RPL链路失效RPL链路失效RPL链路失效A、正常状态。B、RPL链路失效。C、节点A和G检测到链路失效后阻塞失效的端口。D、A和G持续发送SF消息，消息中包含“DNF（Dont Flush）”，指示节点进入保护状态，但不需要进行FDB Flush，E、RPL所在节点G收到SF消息，但由于G存在一个优先级更高的事件：本地链路失效，因此G忽略SF消息。F、稳定状态，环网持续带有DNF的SF消息。RPL链路恢复RPL链路恢复A、稳定的SF状态。B、RPL链路恢复。C、节点A和G检测到本地链路恢复，启动Guard定时器并开始持续发送NR消息。（Guard定时器阻止A和G接收R-APS消息）D、A和G节点的Guard定时器超时后，它们可以接收新的R-APS消息。E、RPL所在节点收到NR消息，启动WTR定时器。F、WTR超时后，RPL所在节点阻塞RPL链路（已经处于阻塞状态）然后发送NR RB消息。消息包含DNF，以指示其它节点不必进行FDB Flush。G、节点A收到NR RB消息，解除端口的阻塞状态并停止发送NR消息，所有收到NR RB消息的节点从保护状态进入正常状态而不必进行FDB Flush。5.4 多链路失效恢复多链路失效恢复A、稳定的SF状态。B、部分链路状态恢复。C、节点A，B，E和F检测到链路恢复，启动Guard 定时器并开始持续向两个环网接口发送NR消息。Guard定时器阻止R-APS消息的接收，因此节点B和E将忽略C和D的SF消息。D、RPL所在节点收到NR消息，启动WTR定时器。E、A，B，E和F节点的Guard定时器超时后，它们可以接收R-APS消息。B和E在收到SF消息后解除端口的阻塞状态并停止发送NR消息。F、A和F节点收到SF消息后解除端口的阻塞状态并停止发送NR消息。G、RPL所在节点收到SF消息，说明环网上仍然存在链路失效，节点G停止WTR定时器。47- -六、快速以太环网保护介绍6.1概述快速以太环网保护协议是一类特殊的链路层协议，专门用于构建环状的以太网拓扑。以太环网保护协议在环网拓扑完整的情况下阻塞一条链路，防止出现数据环路形成广播风暴。在出现链路中断的情况下，协议迅速恢复之前阻断的链路，使环网各节点之间恢复通信。快速环网保护协议通过控制交换机MAC地址表的老化来保证拓扑变化时数据报文可以被发送到正确的链路。一般情况下，MAC地址在地址表中的老化时间是300秒。环网保护协议可以控制交换机MAC地址表在极短的时间内老化。环网保护协议和生成树协议都用于链路层拓扑控制。生成树协议适用于各种复杂的网络，它使用逐跳的方法传播网络拓扑的变化。环网保护协议专用于环状的拓扑，并使用扩散法传播拓扑变化信息。因此，在环状网络中，环网保护协议的收敛性能优于生成树协议。在网络状况良好的情况下，环网保护协议恢复网络通信的时间甚至可以小于50毫秒。说明：环网保护协议支持将一台交换机配置为多个物理环网的节点，以形成相切环。环网保护协议不支持具有公共链路的相交环。6.2 环网保护协议类型以太网交换机系列产品支持两种类型的环网保护协议：l Ethernet Automatic Protection Switching（EAPS），基于RFC-3619标准。l Ethernet Ring Protection Switching（ERPS），基于ITU-T G.8032/Y.1344。6.3 环网保护协议配置须知在为以太网交换机配置环网保护协议之前，请确保已经阅读并了解下面的注意事项：l 阻止广播风暴是环网保护协议的一项重要功能，请确保在所有环网节点都配置完成的情况下再接通环网链路。比如，在配置EAPS协议时，请在配置完主节点和所有传输节点之后，再为主节点的次端口接通网线；在配置ERPS协议时，请至少保留RPL节点的RPL链路为断开状态，直到所有环网节点配置完毕。在未配置完所有节点的情况下接通环网，将容易引起广播风暴。l EAPS和ERPS两种协议都是可逆的保护倒换：在触发环网保护倒换的事件，比如，端口链路中断，消除之后，协议会恢复到倒换之前的状态。l EAPS和ERPS两种协议可以在一台以太网交换机上同时配置，但必须用于控制不同的环网。同一环网中不可同时运行EAPS协议和ERPS协议，它们不可兼容。l 环网保护协议可以与单生成树协议（SSTP），快速生成树协议（RSTP）同时运行，也可在生成树协议关闭（no spanning-tree）的情况下运行。已配置的环网端口将不参与生成树协议的状态计算。l 若在关闭生成树协议（no spanning-tree）的状态下运行环网保护协议，建议配置spanning-tree bpdu-terminal功能，以避免所有环网节点忙于转发BPDU而影响网络。l 环网保护协议不支持与多生成树协议（MSTP）同时运行，在已配置EAPS或ERPS的情况下，MSTP协议将无法启动。l 环网保护协议支持将一台交换机配置到多个环网中。但不支持具有公共链路的复杂环网。七、EAPS协议介绍7.1EAPS相关概念图1.1 EAPS以太环网示例7.1.1环网节点角色构成以太网环的每台交换机都是一个环网节点。环网节点分为主节点（Master Node）和传输节点（Transit Node）两种。网环上的一台交换机作为唯一的一个主节点，其它交换机都作为传输节点。主节点：主动了解环网拓扑是否完整，排除环路，并控制其它交换机更新拓扑信息。传输节点：仅检测本地环网端口的状态，并在链路失效时通知主节点。每个节点的角色由用户通过配置指定，一台交换机在同一个环中只能配置一种节点角色。如图1.1中，交换机S1是环网的主节点，S2，S3和S4是传输节点。7.1.2环网端口角色EAPS协议要求每台交换机都有两个端口连接着环网。每个环网端口的角色同样需要通过配置指定，协议支持的端口角色有以下几种：主端口（Primary Port）：主端口仅可在主节点配置。主节点通过主端口发送环网探测报文。次端口（Secondary Port）：次端口仅可在主节点配置。主节点从次端口接收环网探测报文，判断环网拓扑是否完整。在拓扑完整的情况下，主节点在次端口阻塞数据报文，防止产生环路；在环网发生链路中断之后，主节点解除次端口的阻塞状态。传输端口（Transit Port）：传输端口仅可在传输节点配置，传输节点连接环网的两个端口都作为传输端口。每个环网端口只能配置一种端口角色，只有在配置了交换机的节点角色和控制VLAN之后才可配置端口角色。如图1.1所示，主节点S1连接S4的端口是主端口，S1连接S2的端口是次端口，其它交换机连接环网的端口都是传输端口。说明：在将同一台交换机配置到多个环时，交换机必须通过不同的物理端口连接不同的环。7.1.3控制VLAN和数据VLAN主节点和传输节点之间通过一个专用的控制VLAN传送协议报文，控制VLAN由用户通过配置指定，用户同样需要将环网端口加入控制VLAN，保证协议报文可以正常收发。通常情况下，每个环网端口在控制VLAN中都处于转发状态，非环网端口不能够转发控制VLAN的报文。请注意：需要为一台交换机上配置的每个环指定不同的控制VLAN。控制VLAN只用于传送环网控制报文，不能用于二层或三层通信。比如，若创建控制VLAN对应的VLAN接口，通过其它设备可能无法PING通此接口的IP地址。控制VLAN之外的其它VLAN都是数据VLAN，用于传递一般的业务报文或交换机管理报文。环网端口是否可以转发数据VLAN的报文由环网保护协议控制；非环网端口的转发状态则由生成树协议控制。请注意：数据VLAN可以用于普通的二层或三层通信。比如，可以创建数据VLAN对应的VLAN接口，并配置动态路由协议。7.1.4环网完整状态标志主节点和传输节点都通过一个状态标志“COMPLETE”显示当前的环网状态是否完整。在主节点，只有当前环网上所有链路正常，主端口处于转发态且次端口处于阻塞态时，“COMPLETE”标志才为真；在传输节点，只有当节点的两个传输端口都处于转发态时，标志才为真。环网状态标志可以帮助用户判断当前网络的拓扑状态。7.2EAPS报文类型EAPS协议使用的报文类型如表1.1所示。表1.1 EAPS环网保护协议报文类型报文类型说明环路探测（HEALTH）由主节点发送，探测环网拓扑是否完整。链路中断（LINK-DOWN）由传输节点发送，指示环网中发生了链路中断。环网中断老化地址表（RING-DOWN-FLUSH-FDB）主节点在检测到环网中断后发送，指示传输节点老化MAC地址表。环网恢复老化地址表（RING-UP-FLUSH-FDB）主节点在检测到环网拓扑恢复后发送，指示传输节点老化MAC地址表。7.3EAPS环网保护机制7.3.1主节点环路探测与控制主节点在一个可配置的周期通过主端口向控制VLAN发送探测报文（HEALTH），在正常情况下，探测报文途经环网所有其它的节点最后到达主节点的次端口。次端口在初始情况下阻塞所有的数据VLAN，在持续收到探测报文的情况下，次端口保持对数据VLAN的阻塞而阻断环路。若次端口超过一定时限（可配置）未收到主端口发送的探测报文，则认为环网失效，此时主节点放开次端口对数据VLAN的阻塞，老化本地MAC地址表，并发送控制报文（RING-DOWN-FLUSH-FDB）通知其它节点。若主节点在已放开数据VLAN的次端口收到探测报文，则认为环网恢复，此时主节点立即在次端口阻塞数据VLAN，更新本地拓扑信息并通知其它节点老化地址表（RING-UP-FLUSH-FDB）。可以通过hello-time和fail-time节点配置命令修改主端口发送探测报文的间隔和次端口等待探测报文的时限。7.3.2传输节点链路失效通知传输节点的一个传输端口链路失效后，会立即通过另一个传输端口发送链路失效通知报文（LINK-DOWN）。正常情况下，该报文经过其它传输节点并最终到达主节点的一个端口。主节点收到链路失效通知之后，认为环网失效，此时主节点放开次端口对数据VLAN的阻塞，老化本地MAC地址表，并发送控制报文（RING-DOWN-FLUSH-FDB）通知其它节点。7.3.3传输节点链路恢复传输端口恢复之后，并不立即开始转发数据VLAN报文，而是进入“预转发（Pre-Forwarding）”状态。传输端口在预转发状态仅转发和接收控制VLAN的控制报文。若环网中只有一个传输端口失效，该端口进入预转发状态之后，主节点的次端口便可以重新收到主端口发出的探测报文，此时主节点重新在次端口阻塞数据VLAN，并向外发送老化地址表通知。包含预转发状态传输端口的节点在收到老化地址表通知之后，首先将预转发状态的端口设置为转发状态，然后老化本地MAC地址表。若传输节点在一个可配置的时限内未收到主节点的老化地址表通知，可以认为到达主节点的链路失效，传输节点自行将预转发状态的端口设置为转发态。可以通过pre-forward-time节点配置命令修改传输端口保持预转发状态的时间。八、EAPS配置8.1EAPS配置须知在配置EAPS环网保护协议之前，请阅读以下注意事项：l EAPS协议可以与ERPS环网保护协议或SSTP，RSTP生成树协议同时配置，但不可与MSTP多生成树协议同时配置。l 配置环网控制VLAN并不会自动创建相应的系统VLAN，用户需要通过VLAN全局配置命令手动创建该VLAN。l 只有每个环的环网端口才可以转发该环控制VLAN中的报文，其它端口，即使配置为Trunk模式，也无法在控制VLAN中转发。l 缺省情况下，主节点的Fail-Time是Hello-Time的三倍，以避免因报文延时造成环网保护协议的震荡。修改Hello-Time之后，用户需要相应的对Fail-Time进行修改。l 缺省情况下，传输节点的Pre-Forward-Time是主节点Hello-Time的三倍，以确保传输端口进入转发状态之前主节点可以检测到环网恢复。若主节点配置的Hello-Time大于传输节点的Pre-Forward-Time，则容易产生环路而引发广播风暴。l 缺省情况下，S6800和S8500系列以太网交换机配置的环网结点都工作于分布式控制模式，以获得更好的收敛性能。可以通过distributed-mode和centralized-mode节点配置命令修改环网保护协议的工作模式。l EAPS协议支持将物理端口或聚合端口配置为环网端口。若物理端口上已配置链路聚合、802.1X或端口安全，该端口也不可配置为环网端口。8.2EAPS配置任务l 配置主节点l 配置传输节点l 配置环网端口l 查看环网保护协议状态8.3EAPS配置8.3.1配置主节点按照下面的步骤，将交换机配置为环网的主节点。命令目的Switch# configure进入交换机配置模式。Switch_config# no spanning-tree关闭当前运行的生成树协议。Switch_config# spanning-tree bpdu-terminal禁止交换机转发STP BPDU。Switch_config# ether-ring id配置节点实例并进入节点配置模式。id：结点实例号。Switch_config_ring# control-vlan vlan-id配置控制VLAN。vlan-id：控制VLAN号。Switch_config_ring# master-node配置节点类型为主节点。Switch_config_ring# hello-time value可选。配置主节点发送探测报文的周期。value：时间值，1至10秒，缺省为1秒。Switch_config_ring# fail-time value可选。配置次端口等待探测报文的时限。value：时间值，3至30秒，缺省为3秒。Switch_config_ring# distributed-mode可选。配置环网保护协议工作于分布式模式。仅用于S6800和S8500系列交换机。Switch_config_ring# centralized-mode可选。配置环网保护协议工作于集中模式。仅用于S6800和S8500系列交换机。Switch_config_ring# exit保存当前配置并退出节点配置模式。Switch_config# vlan vlan-id创建相应的控制VLAN。注释：使用no ether-ring id命令删除环网节点配置以及节点端口配置。8.3.2配置传输节点按照下面的步骤，将交换机配置为环网的传输节点。命令目的Switch# configure进入交换机配置模式。Switch_config# no spanning-tree关闭当前运行的生成树协议。Switch_config# spanning-tree bpdu-terminal禁止交换机转发STP BPDU。Switch_config# ether-ring id配置节点实例并进入节点配置模式。id：结点实例号。Switch_config_ring# control-vlan vlan-id配置控制VLAN。vlan-id：控制VLAN号。Switch_config_ring# transit-node配置节点类型为传输节点。Switch_config_ring# pre-forward-time value可选。配置传输端口保持预转发状态的时间。value：时间值，3至30秒，缺省为3秒。Switch_config_ring# exit保存当前配置并退出节点配置模式。Switch_config# vlan vlan-id创建相应的控制VLAN。8.3.3配置环网端口按照下面的步骤，配置交换机的端口为环网端口。命令目的Switch# configure进入交换机配置模式。Switch_config# interface intf-name进入端口配置模式。intf-name：端口名称。Switch_config_intf# ether-ring id primary-port secondary-port | transit-port 配置环网端口类型。id：环网节点实例号。Switch_config_intf# exit退出端口配置模式。注释：通过no ether-ring id primary-port secondary-port | transit-port 端口配置命令，删除环网端口配置。8.3.4查看环网保护协议状态使用下面的命令查看环网保护协议的状态。命令目的show ether-ring id查看环网保护协议和环网端口的摘要信息。id：环网实例号。show ether-ring id detail查看环网保护协议和环网端口的详细信息。show ether-ring