工业以太网冗余技术分析(精)

1、2012.3信息安全与通信保密59通信技术Communi cati ons Tech no logies肖贺a，管海兵b，宦飞(上海交通大学a信息安全工程学院;b.电子信息与电气工程学院，上海200240摘要为了满足工业以太网对网络的可靠性要求，减少因网络故障造成的损失， 网络冗余容错技术的提出增 加了网络的可靠性和稳定性。文中介绍了网络冗余技 术国内外研究的总体情况，讨论了多种网络冗余解决方案，包括生成树协议、快速生 成树协议、环网冗余协议和分布式冗余网络协议，以及其他的网络冗余技术，着重讨 论了分布式冗余网络协议，最后对多种网络冗余解决方案进行了比较，特别指出了它 们的局限性。关键词工业以

2、太网；生成树协议；环网冗余;分布式冗余网络协议中图分类号TP273 文献标识码A 文章编号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作者简介：肖贺，1985年生,男硕士，研究方向：计算机网络与安全；管海兵，1970 年生，男，博士生导师，教授，研究方向:虚拟化、绿色节能系统、 计算机视觉、多核 与并行计算；宦飞,1962年生,男,硕士生导师，研究方向：云计算、计算机应用技术。工业以太网冗余技术分析0引言工业以太网以其特有的低成本、高实效、高扩展性及高智能的魅力，吸引着越 来越多的制造业厂商1，控制系统和工厂自动化系统常常采用工业以太网技术完成工业控制任务。在 核电、电力以及交通等很多工业控制 领

6、域的实际应用场合下，设备所处的环境相当 复杂，用户对以太网的可靠性要求也越来越高2通信。为了保证不会 因通信服务器失效、网络断线或交换机故障而导致整个 系统瘫痪，现在普遍通过以太网冗余技术来提高网 络容错的能力。文中首先从整个以太网冗余技术的发展现状出发，分析多种网络冗余技术解决方案，重点讨论了分布式网络 冗余协议。最后比较了现有的网络冗余技术，给出了每 种冗余技术的特点及不足。1网络冗余技术国内外研究现状随着以太网在工业控制领域的广泛应用，国内外众多研究机构在网络冗余、容 错方面做了大量的工作。各大 自动化设备生产厂商也都纷纷提出了自己的网络冗 余技术解决方案来提高工业以太网的可靠性3。由I

7、EEE制定的生成树协议，实现网络中只有一条数据传输路径，消除了网络 回路4。快速生成树协议对生成树协议进行了改进，缩短了网络故障恢复时间5。弹性分组环协议（Resilient Packet Ring,RPR是一种新型的MAC协议,采用逆 向双环结构,分别是0环（外环和1环（内环，数据沿0环或1环在节点之间进行转 发。RPR的一个优点是故障 切换时间短（低于50 ms另一个优点是空间重用（沿 着环以不同方向路由客户流量的能力70 RPR协议存在的一个问题，就是如果要求包按序传输，并不总是能够保 证50ms的恢复时间，因为,RPR有相当长的拓扑稳定期 时间（默认40 ms用以避免对包重 排序。文献

8、8提出了对RPR的改进方法，不需要等到拓扑结构稳定，从而保证少于50 ms的恢复时间,并且相比较标准RPR协议,减少了丢包量。RPR虽然支持以太网, 但需要硬件支持，由于成本较高，且它的发展过程有自己的一套体系，各设备商对其 支持力度不大。由Extreme Networks公司提出通信技术 Com mun icatio ns Tech no logies的以太网自动保护切换协议 （Ethernet Automatic P rotection Switchi ng,EA PS 是 一个专门用于解决二层环路问题的以太网自愈保护方案9。EAPS（RFC3619协议 目前支持RPR关键的特性，且不必进

9、行硬件升级10。Hirschmann公司基于一个完整的网络可以被划分成若干个相互连接的环网的思想，提出了 Hi per Ring环网冗余协议11。Hi per Ring环网自愈时间小于50 ms,每个环网最多可支持50台交换机 12。Turbo Ring是Moxa公司自主开发的协议，它在很大程度上优化了通信冗余功 能。在20台以太网交换机 全负载的情况下，当网络故障导致异常时，系统可以在300ms时间内迅速恢复正常运行，将损失降至最低。2007年,Moxa又推出新一代TurboRing技术,将这个数字刷 新为20 ms13。N-Tron公司提出的N-Ring环网冗余协议 需要一台N-Tron管

10、理交换机作为环网管理器，每个N-Ring环网可支持250台N-Tron管理交换机和50台非N-Tron管理交换机14。 Super Ring是由Korenix公司 开发的环网 冗余技术。2006年,Korenix公司在Super Ring的基础上 开发出了Ra pid Su per Ring技术作为公司的第二代环网冗 余技术。Rap id Super Ring技术通 过加快环主控设备(Ring Master的选择，减少了恢复时间。在一个连接有 250个节 点的千兆光纤环网的环境下，恢复时间不到5 ms,成为目前世界上最快的以太网冗余环网规格15。国内的研究机构和企业也积极地致力于网络冗余技术的

11、研究。2001年10月,浙江大学、浙大中控集团以及中科 院沈阳自动化所等单位开始制定基于工业以太 网的实时通 信控制系统解决方案一一EPA标准。2007年8月,EPA标准被正式列 入现场总线国际标准IEC61158(第四版16。针对工业控制网络高可靠性与高可用 性的要求，EPA定义了 DRP协议(EPA分布式冗余网络协议。对环形网络，它是基 于专利的主动并行故障探测技术，分散了故障风险，大大缩短了环形网络自愈时间17。华为技术有限公司提 出的快速环网保护协议(Rapid Ring ProtectionProtocol, RRPP是一个专门应用于以太网环的链路层协议，可以防止环路上的广播 风暴，

12、并在链路发生故障时能够快速收敛18。中兴公司提出了智能以太环网(ZESR。ZESR是基于EAPS(RFC3619协议的以太环网技术。ZESR继承了EAPS二层网络快速收敛的优点，并且允许网络管理员创建以太网环，其方式类似于 光纤分布式数据接口 (Fiber Distributed Data Interface,FDDI 或 SONET/SDH 环。ZESR可以在不到50 ms时间内，从任何链路或节点故障中恢复 过来19。锐捷网络 公司同样是在RFC3619的基础上，自主开发了快速以太网环保护协议 (RERP,RapidEthernet Ring Protection,并 已经在锐捷 网络的RG

13、-S86O0 RG-S9600等高端系列交换机上实现20。由东土科技公司自主创新的快速冗余技术DT-Ring协议族 包含了 DT-Ring、DT-Ring+以及基于 VLAN的DT-VLAN-Ring 等几种协议。协 议族中的3种协议分别讨论了环形工业以太网环网冗余技术（DT-Ring;环形工业以太网之间的耦合和工业以太 网相交环网的问题（DT-Ring+; 个网络中同一端口或 不 同端口的同一 VLAN冗余问题（DT-VLAN-Ring21。2网络冗余解决方案2.1生成树协议生成树协议（Spanning Tree Protocol,STP是由 IEEE 制 定的 IEEE802.1D 标准,

14、 它通过在交换机上运行生成树算法 （Spanning Tree Algorithm,STA来实现对链路的管理，当发现网络中有环路时，主动地在逻辑上阻塞一个或多个冗余端口，使得接入 网络的计算机在与其他计算机通信时，只有一条链路生效22,避免了网络中发生广 播风暴。当检测 到主路径中出现故障时，交换设备将之前阻塞的端口解除 阻塞,从 而建立一个新的路径以绕过故障点，如图1所示。图1基于STP的环形网络控制系统结构在网络正常工作时，将交换机A与交换机D连接的端口阻塞，阻止以太网数据 帧的转发，从而在逻辑上不会 形成回路。当网络出现故障，如L1段网络断开，通过设置端口状态自动切换到冗余链路L2,保证

15、数据的正常传 输，从而为网络提供了动态 冗余切换机制。STP采取的检 测机制是只有当数据单元未到达目的端口时，才会检 测到链路出现故障，然后生成新的拓扑23,所以，故障恢复 时间较长。STP所需要 的自愈时间为3060 s24o在文献25中,王震宇等人对生成树的设计与优化提出 了 3种优化措施，以缩短收敛时间，这3种优化措施分别是：1根网桥应尽可能位于网络的中心。2通过调整交换机的端口成本、端口ID、网络直径 等参数调整定制生成树和 其收敛方式。3利用冗余链路的快速收敛技术减少对生成树的影响。除了存在收敛时间长的26 0问题,STP协议还存在VLAN敏感性和在环形网中造成的带宽不足两个问题 在

16、STP基础 上,IEEE208.1W快速生成树协议（Rapid Spanning TreeProtocol,RSTP对其进行了改进。RSTP改变了端口状态转换方式，通过监测每个网 络中的端口的状态，在连接状态发生改变时，将它的某些端口快速置为转发状态，迅 速生成新的拓扑23,在12 S的时间内再次形成稳定 的网络拓扑。RSTP同时兼容 生成树协议27。文献28对60信息安全与通信保密 通信技术 Com mun icatio ns Tech no logiesRSTP的性能进行了评估，并且提出了通过增加带宽的使 用来加快RSTP收敛 速度的方法。2.2环网冗余技术2.2.1环网冗余解决方案以太环

17、网是最简单的环网冗余拓扑结构。在一个环网中,任何一个网络节点都 只有两个相邻的节点。在一个 典型的冗余环网中，有一个主交换机。正常工作时，主 交换机的其中一个连接端口会被置为阻塞状态，阻止以太网 数据帧转发，仅允许转发 冗余控制帧，保证了物理上是一个回路，但是没有逻辑回路。这样，在正常情况下，主 交换机有一个转发端口 （主端口和一个拥塞端口（次端口，环上其他设备节点的两个端口均为转发端口。222环网冗余的故障检测机制环网冗余的故障检测机制有两种，分别是循环检测和故障告警。冗余环网通常 使用其中一种或同时使用两种机制来检测环网的连通性和故障17。(1循环检测通过主设备节点的转发端口周期性地发送检

18、测帧来检测环网故障。如果环网 工作正常，那么检测帧在环网一 周后，被主设备节点的次端口接收到。 如果在固定 时间内，阻塞端口没有接收到检测帧，认为出现网络故障，主设备节点会迅速打开阻 塞端口，这样，环网在逻辑上仍然是只 有一个线性结构。主设备节点清空 FDB表(即交换机中的MAC转发表，并发送数据包指示网络上其他节点清空 FDB表。然后, 所有交换机学习新的拓扑结构。(2故障告警当环网中的某个交换机检测到其两个端口中的任意一个出现连接故障时，都会 给主设备节点发送一个告警信息。主设备节点接收到告警信息后，迅速打开其拥塞 端口 ,清空FDB表。然后，主设备节点向环上所有节点多播数 据包,指示节点

19、清空FDB表，并学习新的拓扑结构。2.2.3环网冗余的故障恢复机制在处于环故障状态下，主设备节点仍周期性地在主 端口上发送检测帧，一旦环故 障恢复，下一个检测帧将在 次端口上被接收到，这就会导致主节点回到正常状态，从 而次端口在逻辑上将阻塞非控制报文，刷新FDB表，发送控制报文到传输节点，指示 传输节点刷新其FDB表,并重新学习新的网络拓扑29。2.3分布式冗余网络协议2.3.1分布式网络冗余协议原理分布式网络冗余协议（Distributed Redundancy Protocol, DRP是基于ISO/IEC8802-3和IEEE802.1标准，在工业控制网络的数据链路层和应用层之间实现的冗

20、余技术17。DRP协议的环网是由支持分布式故障探测的交换设备构成主干环网，每个交换设备至少由一对环路端口和若干个交换端口组成，每个交换设备都具 有故障检测和恢复功 能，也就是说，环网中所有节点的管理角色是平等的，避免了冗 余管理功能集中在一个节点上可能带来的风险，这就是DRP协议的分布式冗余的概 念。DRP环网中，每个交换设备都有一个唯一的序列号 （SequencelD。DRP网络初 始化的过程中，采用竞争的机制，选举SequenceID号最小的交换设备为主节点，其余 交换设备为传输节点30。正常工作情况下，将主设备的其中一个环路端口置为拥 塞状态，只允许DRP管理帧通过，阻塞数据帧的传输，另

21、一个端口置为转发状态；将传输节点的两个环路端口均置 为转发状态，这样,DRP环网退化成一个线性结构，避免了网络回路所导致的广播风暴。如图2所示，交换设备1和6之间的链路处于阻塞状态。t .-r_ rf _ r节*于氏珀U I LS2基于DRP的环形网络控制系统结构在DRP环形网络中，通信时间被分成多个宏周期（即完成一次完整通信的时间， 环网上的每个交换设备都维护了一个本地时间。为了实现分布式冗余概念，DR P协议沿用了 EPA协议采用确定性分时调度的机制，因此环网中的节点必须实现基于 时间同步协议（IEEE1588的精确时钟同步功能。根据IEEE1588协议31,定义网路 中MAC地址最小的交

22、换节点为唯一的主时钟，MAC地址次小的节点成 为备份根 节点。选定主时钟后，所有交换机将本地时间同 步到整个环形网络中唯一的主设备， 实现全网络时钟的统 一 32,结合网络的组态信息，实现全网络的宏周期的统一。232故障检测DRP网络的故障检测分两种方式：一种是环路检测，另一种是链路检测。1环路检测。在每个宏周期内，主节点转发端口发 送Ring Check探测帧,检测环 路故障,在固定的时间段内,阻塞端口收到Ring Check探测帧,则认为环网未出现故 障。2链路检测。交换设备采取主动探测环网中的故障,在每个DRP通信宏周期的起始时间，环网中的所有节点向 相邻左右两个节点发送Link Che

23、ck探测帧,检测链路故障。DRP通信过程如图3所示，探测结果分为以下3种情况33:1在固定的时间内，收到两个邻居节点的Link Check探测帧，认为该相邻交换节点及其之间的链路正常。2若仅一个端口未收到相邻节点发送的Link Check报文,则认为与该端口通信的邻节点出现故障 （见图4或2012.3信息安全与通信保密61通信技术 Com mun icatio ns Tech no logies与邻节点间的链路出现故障（见图5。3若两个端口均未收到Link Check报文，则认为该 节点已与环网断开了连接。SII.SI11*且BJiiLI jiikHinp CbrN k lAtk (Jbfwk

24、11 ; Rhi/ < hrx'l总；I.*l丄 I-kr i I图 3 DRPi< .Jrtr： SI!I .时池对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通信过程（；vrh'>3图4交换设备管理模块故障探测恢复 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斗图5通信链路故障探测恢复233交换设备管理模块故障恢复当检测到网路出现故障时，如图4所示33,交换设备4出现故障,故障设备的相邻两个节点交换设备3和设备5首先将自身与故障设备相连的端口置为拥塞状态并分别向另一个环端口多播 Link Alarm帧。主设备收到Link Alarm帧后，迅速打开拥塞端口。故障交换设备相邻的两个交换设备接收到对方的Link Ala

26、rm帧,并分别提取报警帧中的信息，根据报警帧中发送方的SequencelD大小，决定端口状态。自身设备SequenceID较大的设备将与故障交换设备相邻的环端口设定为转发状态，环 网中恢复只 有一个端口为拥塞端口的状态，实现故障恢复33。通信过程所需时间 如图3中Cycle S2周期。234通信链路故障恢复根据以太网协议的规定，当发生链路故障时，与故障链路相邻的交换设备的数据 链路层将向上层协议发送报 警信息。如图5所示33,交换设备3和设备4之间的 链路发生故障,交换设备3和设备4在接收到报警信息后，对故障进行主动探测，然 后发送报警帧，报警帧发送后的处理流程与交换设备管理模块故障相同33

27、02.4其他网络冗余技术除了上面介绍的环网冗余技术，还有另外一些网络冗余技术，包括局域网冗余技 术和诸如Siemens GE和ABB等企业应用在各自工业以太网中的专用网络冗余解决方案。局域网冗余技术，即将交换设备连接到两个独 立的局域网中。局域网冗余 可以采用两个完全对等的主 干网络34,也可以采用主从式的主干网络35。若采 用对等局域网冗余技术，则要求相同内容的数据帧在两个局 域网中同时传输；若采 用主从式局域网冗余，在正常工 作时，仅主环传输数据，只有当主环无法工作时，才切 换到次环。2.12.3节介绍的网络冗余技术均是在交换机 内运行冗余管理，增加了交 换机的负担，影响了网络速 度。而局

28、域网冗余技术是将运行现场总线协议的节点连 接到两个独立的局域网，并在协议栈中添加冗余管理，实体管理来自不同局域网的帧36,从而实现终端设备利 用双端口冗余技术实现故障快速恢复。局域网冗余技术 需要在服务器的插槽上安装两块采用了自动控制技术的网卡,并通过智能软件进行控制。文献36通过设计双 网口冗余，即同一块网卡中有两个网络通道，服务器的插 槽只需安装一块网卡，同样实现了局域网的冗余，该系统在运行时自动判别两个通道 是否正常工作，不需要使用智能软件，从而降低了成本和复杂度。3现有网络冗余技术的比较传统的生成树协议STP以及快速生成树协议RSTP可以检测网络链路故障,并 按照一定的算法自动重组网络

29、拓扑结构，实现故障自愈。STP/RSTP对网络拓扑结 构无特 殊要求,但是其自愈时间分别在50 s和2 s左右,无法满 足工业控制网络对实DRP协议的时性的要求。环网冗余技术将自愈时 间降低到ms级,但存在主节点出现故障的单 点失效风险。另外，环网冗余协议要求网络拓扑结构必须是环形网络。提出,有效地解决了以上两种冗余协议的问题。首先,DRP协议的自愈时间小于100ms;其次QRP协议降低了主节点失效的单点故障风险。同样 QRP协议也要求网络 拓扑是环形结构。基于局域网冗余技术可以使 得网络更加可靠，但存在系统成本成 倍提高的不足。另外,采用对等式的局域网冗余时，在两个网络中同时传输相同62信息

30、安全与通信保密 通信技术 Com mun icatio ns Tech no logies的数据，实现了故障的零实时切换，但需要处理数据帧重 复等问题;如果采用主 从式结构，由于始终有一个网络处 于空闲，造成了资源的严重浪费37。4结语文中讨论了标准冗余解决方案如 STP和RSTP以及环网冗余和其他的冗余技术。STP和RSTP是以太网冗余协议重要的基础。尽管对于一些工业以太网来说STP和RSTP恢复时间足以满足其要求，但对于网络故 障时间要求严格的工业控制 网络来讲，无法接受秒级的 恢复时间。以太网产品增长迅速，随之产生多种不兼容 的 专用的以太网环网冗余协议 将故障恢复时间降到 ms级。随着

31、以太网在各种工业网 中成功应用的案例不断地 增加,行业亟待标准化的冗余协议。所以，IEC标准化 组织 提出的DRP协议有着重要的意义。而且，物联网应用的增加将会进一步完善DRP 协议。参考文献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张伟.双网冗余技术及其实现J.重庆教育学院学报，2000,13(4:68-68.3 GUNNAR P rytz. Redu

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40、下转第67页2012.3信息安全与通信保密63Academic Research学术研究自主创新重点跨越技术发展引领未来该层应对 预警监管层的信息进行筛选、鉴别，根据科研保密预警评价指标体系做出决策，确定应急响应方式，组织相关人员快速、准确地执行应急预案。同时，分析一定时期内高校科研保密的敌我博弈态势，对未来保密工作的发展趋势进行预测，借助技术辅助手段，形成预 警管理的决策方案。同时，还应完善高校科研保密预警管理系统的支撑保 障体系，加强保密教育培训，采取案例分析和实证分析的方式让涉密人员学习和掌握一定的情报与反情报技术和方法，提升涉密人员的预警意识和预警责任；整合并优化科研保 密预警管理所需

41、的各项资源(人力、技术、设 备、组织等。可构建一种能及早识别、预防或避免泄密事件，并将泄密事件所造成的危害限制在最低限度。高校科研保密预警管理系统，可做到对已有的高校科研保密管理工作的强化。参考文献1丛兵.要加强信息安全保密管理工作J.信息安全与通 信保密，2004(11: 6-7. 2李源，郑鹂穜.高校开展科技保密工作实践 研究J.西北工业大学学报：社会科学版，2006(3: 90-91. 3李洪敏，刘鸿强.新 时期科研机构保密工作的难点及对 策J.信息安全与通信保密，2008(9: 69-71. 4 张英菊.应急预案辅助设计及评价问题研究D.大连：大连理工大学，2011. 5 李晗，魏海燕

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