工业以太网交换机环网冗余的实现

2019-12-02孟飞

电子技术与软件工程 2019年13期

文/孟飞

工业以太网它的成本低，效率高，方便安装且功耗较低吸引了越来越多的厂商。控制系统和自动化系统通常使用的该技术来完成任务。核电力的实际应用在许多领域，电力和运输是一个复杂的工业，控制环境变化使用户对以太网的可靠性的要求也越来越高。为了保证整个通信系统的网络系统不受干扰通信系统的影响，或产生其他通信或通信系统瘫痪的问题，以太网冗余技术被广泛采用来提高容错率。

1 工业以太网技术

以太网具有通信速率高、兼容性好、互联扩展性好、功耗低、安装方便等优点。所谓的工业以太网是什么？其实就是在工业上广泛应用的一种技术，与其他以太网的技术都是类似的。因此，工业以太网技术继承了以太网技术的优势，与传统的现场总线相比较具有很多优点。主要的有点体现在下面几个方面：

（1）以太网在计算机网络技术中的应用中最为广泛，它得到了广泛的技术支持。以太网最典型的应用形式是以太网+TCP/IP+Web。常用的编程语言，如Java、Visual C++和Visual Basic，都支持以太网的应用开发，这些编程语言特别受欢迎，软件开发人员都喜欢应用这些编程语言，开发前景一片良好。工业控制领域采用以太网通信，可以选择更多的开发工具，开发环境。

（2）由于商用以太网的广泛应用，主要的通信设备开发商和制造商致力于以太网交换机的开发和生产，这使得工业以太网交换机更便宜。因为他应用的广泛，硬件价格很低，现在以太网网卡它的价格在现场总线价格的十分之一左右，而且随着集成电路技术的快速发展，其价格还会更低。

（3）目前，该技术比较成熟，广泛使用的以太网通信速率为10M、100M和1000M。这比任何当前的现场总线都快。因此，以太网能够满足工业控制对带宽不断增长的要求。

（4）基于TCP/IP协议模型的以太网是完全开放的。因此，信息网络与控制网络可以实现无缝集成。因此，嵌入式控制器、智能现场测控仪器和传感器可以方便地连接到现场控制网络，甚至管理网络。

2 环网冗余技术

以太网环网是环网冗余最为简单的拓扑结构。任何网络节点都有一个交换机和两个相邻的节点。如果其中一个端口被设置成了默认阻止，那么我们可以认为交换机此时工作正常，用来防止以太网的数据帧转发，并且保证它在物理上是一个循环，不论它有没有逻辑循环。所以，一般主交换机有两个端口，同时也存在两个检测问题的办法。首先端口为主端口和辅助端口，检测方法为故障报警以及循环检测，主端口包括环路上其他设备的端口，辅助端口为拥塞端口一般只存在一个，而检测主要是为了保证环网的连通性，以防发生问题。

（1）主设备节点首先要转发端口，其次发送循环检测，所谓循环检测就是按照规定时间发送检测帧，它的功能为检测环网的问题，当它正常工作时主设备节点的下级端口就会接收环网一周左右的检测帧，但是在规定时间中没有接收到检测帧，主设备节点会快速的打开阻塞端口。以此保证它在逻辑上的线性结构，紧接着主设备节点要进行的是清空交换机中的转发表（FDB表），清空之后会发送数据包，然后剩下的节点都会跟从主设备节点清空FDB表。这样的话所有交换机就会学习新的网络拓扑。交换机的接口出现问题时就会向主设备节点报警，以此来打开拥塞控制，然后清空FDB表，一般的环网交换机都存在两个接口，任意一个发生问题都会报警。在最后主节点将数据包发送到环上的每一个节点，节点接到指示后清空FDB表并学习全新的拓扑结构。

（2）环网冗余切换机制在环网出现问题的情况下，主要的设备实现节点定期发送测试帧在主端口，如果环网故障恢复，那么下一个测试帧就会准时接收端口，然后主节点就会恢复正常，从时间端口就会拥塞控制包，更新FDB表，给传输节点发送控制消息，传输节点接收指示，根据指示内容也会更新FDB表，并学习新的网络拓扑。

3 以太网中环网冗余的具体实现

之所以快速环网会被研究出来，主要是为了方便用户发现环网中存在的问题，以方便及时的修复，以免造成更大的损失。这个技术是美国知名的控制公司研究实现的，它的工作原理主要如下：当环网出现断链的问题时，就可以在交换机上报警，用户就会收到报警的消息，从而及时的处理问题，该项技术的优点就是，可以快速的修复环网在网络上的故障，也是以此来减少因故障带来的损失。

快速环网技术使用过程中时，我们可以形成一个简单地环网，首先在众多交换机当中设置一个主交换机，其次把每一个交换机的两个端口相互连接，还需要把每个交换机都设置成快速环网，这样连接的两个端口就可以保持正常运行。

在主交换机的网络中会存在备用端口，所谓备用端口就是在紧急情况下可以进行网络修复的。网络在正常运行时，备用端口进入休眠状态，不会影响每个交换机之间的相互工作，如果备用端口被激活。那么就证明线缆连接中出现了问题，备用端口就会发挥它的作用，保证环网工作的正常进行，指导主交换机发起报警，出现的问题被修复之后，备用端口就会再次进入休眠状态。而且快速环网还可以支持双环网的连接，在每一个方面都会拥有更大的灵活性。