工业以太网交换机环网冗余的实现

工业以太网冗余技术的特点 - 工业以太网由于工业环境对工业把握网络牢靠性能的超高要求，工业以太网的冗余功能应运而生。

从快速生成树冗余(RSTP)、环网冗余（RapidRing）到主干冗余（Trunking），都有各自不同的优势和特点，把握工程师们可以依据自己的要求进行选择。

为了更好地挂念大家了解和学习工业以太网冗余技术的特点。

高级的管理型冗余交换机供应了一些特殊的功能，特殊是针对有稳定性、平安性方面严格要求的冗余系统进行了设计上的优化。

构建冗余网络的主要方式主要有以下几种，STP、RSTP；环网冗余RapidRing 1.STP及RSTPSTP（Spanning Tree Protocol，生成树算法，IEEE 802.1D），是一个链路层协议，供应路径冗余和阻挡网络循环发生。

它强令备用数据路径为堵塞（blocked）状态。

假如一条路径有故障，该拓扑结构能借助激活备用路径重新配置及链路重构。

网络中断恢复时间为30~60s 之间。

RSTP（快速生成树算法，IEEE 802.1w）作为STP的升级，将网络中断恢复时间，缩短到1~2s。

生成树算法网络结构机敏，但也存在恢复速度慢的缺点。

2.环网冗余RapidRing为了能满足工业把握网络实时性强的特点，RapidRing孕育而生。

这是在以太网网络中使用环网供应高速冗余的一种技术。

这个技术可以使网络在中断后300ms之内自行恢复。

并可以通过交换机的出错继电连接、状态显示灯和SNMP设置等方法来提示用户消灭的断网现象。

这些都可以挂念诊断环网什么地方消灭断开。

RapidRing也支持两个连接在一起的环网，使网络拓朴更为机敏多样。

两个环通过双通道连接，这些连接可以是冗余的，避开单个线缆出错带来的问题。

3.主干冗余Trunking将不同交换机的多个端口设置为Trunking主干端口，并建立连接，则这些交换机之间可以形成一个高速的骨干链接。

不但成倍的提高了骨干链接的网络带宽，增加了网络吞吐量，而且还还供应了另外一个功能，即冗余功能。

工业以太网交换机环网冗余技术及其实现目录摘要 (I)ABSTRACT .........................................................................................................I II 第一章绪论.. (1)1.1 课题背景和研究意义 (1)1.1.1 工业以太网技术 (1)1.1.2 以太网用于工业现场的问题 (1)1.1.3 提高工业以太网可靠性方法 (3)1.1.4 课题研究意义 (3)1.2 国内外研究现状 (4)1.3 本文研究内容及章节安排 (6)第二章介质冗余协议局限性分析 (8)2.1 介质冗余协议 (8)2.1.1 体系结构 (8)2.1.2 基本原理 (10)2.1.3 状态机 (10)2.2 介质冗余协议性能分析 (14)2.3 介质冗余协议局限性 (15)2.4 本章小结 (16)第三章多主站环网冗余技术设计 (17)3.1 冗余环网主站调度算法设计 (17)3.1.1 主站调度机制 (17)3.1.2 优先级选举算法 (19)3.2 协议帧设计 (21)3.3 状态机设计 (23)3.3.1 主站选举过程 (23)3.3.2 状态机 (25)3.4 性能分析 (27)3.4.1 优先级选举算法收敛性分析 (28)3.4.2 网络故障恢复时间 (30)3.5本章小结 (33)第四章互连环网冗余技术设计 (34)4.1 概述 (34)4.2 协议帧设计 (35)4.3 状态机设计 (36)4.3.1基本原理 (36)4.3.2状态机 (36)4.4 性能分析 (39)4.5 本章小结 (42)第五章环网冗余技术编程实现与功能测试 (43) 5.1 软硬件环境介绍 (43)5.1.1 软件环境 (43)5.1.2 硬件平台 (43)5.2 以太网交换机基本功能实现 (45)5.3 多主站环网冗余技术编程实现 (48)5.3.1 软件总体方案 (48)5.3.2 软件程序功能模块实现 (49)5.3.3 软件程序函数总结 (51)5.4 互连环网冗余技术编程实现 (52)5.5 环网冗余技术软件功能测试 (53)5.5.1 软件模块功能测试 (53)5.5.2 多主站环网冗余技术功能测试 (57)5.5.3 互连环网冗余技术功能测试 (63)5.6 本章小结 (65)第六章总结和展望 (66)6.1 总结 (66)6.2 展望 (67)参考文献 (68)附录1 (72)致谢 (79)攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 (80)上海交通大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1 课题背景和研究意义1.1.1 工业以太网技术以太网以其通信速率高、兼容性好、互联和可扩展性好、低耗和易于安装等优点，在商用网络通信领域占据了绝对的优势。

环⽹冗余的配置与查看环⽹冗余的配置与查看根据《交换机配置》⽂档中的操作⽅法将实验台上的交换机按照预先的分配设置好相应的IP地址和Device Name，然后再进⾏后续的⼯作。

构成环⽹是冗余⽹络的⼀种⽅法，通过环⽹上的冗余管理器来实现冗余管理。

由于⼀些配置、系统稳定等实现上的要求，采⽤X414E来作为冗余管理器。

构成环⽹就必须要有⼀个冗余管理器，⽽且只能有⼀台，在硬件实现环⽹连接之前要先对各个交换机先⾏设置，主要是设置X414E为环⽹管理器，否则会引起⼴播风暴出现⽹络瘫痪。

打开IE浏览器，在地址栏中输⼊已经配置好的IP地址，在弹出的对话框中，⽤户名和密码都为“admin”，即可进⼊该交换机的配置参数。

⾸先可以从交换机的状态指⽰灯看出该模块的状态和端⼝信息。

选中其中的某⼀项可以看到其具体的信息，如“RM（Redundancy Manager冗余管理器）”，打勾表⽰当前被选中的功能使能，如环⽹冗余使能、冗余管理器使能，以及构成环⽹的端⼝等，可以进⾏修改后点击“Set Value”。

其他的状态灯，如系统错误F，电源和冗余电源L1/L2，输⼊输出端⼝等信息均可以快速查看到，特别是对当前已经连接上的端⼝，⽽下⾯的数字则表⽰当前模块在机架上的槽号（可能与实际模块外壳不同，要以实际机架插槽为准）。

下⾯按步骤配置交换机的环⽹使能及环⽹冗余使能。

选择System—〉Select/Set Button，在第⼆项的冗余管理器前打勾选中，并“Set Value”。

选择X-400—〉Ring Config，选择环⽹冗余使能和冗余管理器使能，并对环⽹端⼝进⾏选择（该端⼝为环⽹实际需要连接的端⼝），注意由于环⽹上跑的数据量较⼤，最好选择带宽更⼤的端⼝，⽐如千兆的光⼝等。

具体的状态情况可以从事件⽇志中查看到，选择System—〉Restart & Defaults，在交换机的参数发⽣变化时，正常需要重启操作，主要有重启系统、从存储卡中读出配置信息并重启、恢复出⼚设置并重启，在没有发⽣错误的情况下，选择第⼀项就可以了。

华为交换机链路冗余的方法全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：华为交换机是目前市场上比较常见的设备之一，它可以用于构建企业局域网、数据中心网络等。

在网络建设中，链路冗余是非常重要的一项功能，它可以提高网络的可靠性和稳定性。

接下来我们就来探讨一下华为交换机上的链路冗余方法。

一、链路冗余的概念链路冗余是指在网络中使用冗余的链路进行数据传输，当主要链路发生故障或者中断时，备用链路可以立即接手，确保数据传输的连续性和稳定性。

通过链路冗余的设计，可以避免单点故障对整个网络造成影响，提高网络的可用性。

二、华为交换机上的链路冗余方法1. Spanning Tree Protocol（STP）STP是一种链路层协议，可以避免网络中的环路，保证数据的正常传输。

在华为交换机上，可以通过配置STP来实现链路的冗余备份。

当主链路发生故障时，STP会选择备用链路来传输数据，确保网络的稳定性。

2. EtherChannelEtherChannel是一种技术，可以将多个物理链路捆绑在一起，提高带宽和可靠性。

在华为交换机上，可以通过配置EtherChannel来实现链路的冗余备份。

当其中一个物理链路发生故障时，其他链路可以自动接手，确保数据传输的连续性。

VRRP是一种用于提高路由器可用性的技术，可以实现路由器的冗余备份。

在华为交换机中，可以通过配置VRRP来实现设备的冗余备份，当主设备故障时，备用设备可以立即接管，确保网络的稳定性。

三、总结通过以上介绍，我们可以看出，在华为交换机上可以通过配置STP、EtherChannel、VRRP、HSRP、OSPF等技术来实现链路的冗余备份，提高网络的可靠性和稳定性。

在网络建设中，给予链路冗余足够的重视是非常重要的，可以有效避免单点故障对整个网络造成影响。

希望以上内容对大家有所帮助，谢谢阅读！第二篇示例：在网络通信中，交换机扮演着至关重要的角色，它们负责在不同设备之间传输数据包，确保网络通信顺畅稳定。

以太网ERPS环网冗余功能介绍以太网ERPS（Ethernet Ring Protection Switching）是一种基于以太网的环网冗余协议，它旨在提供高可靠性和快速收敛时间，以减少网络中断和数据丢失的风险。

ERPS协议采用了一套机制，通过在环网中建立两条冗余路径，实现对网络中断的快速切换，从而保证网络的可靠性和稳定性。

ERPS协议采用了一种称为"Sub-Ring"的逻辑结构来实现环网冗余。

Sub-Ring是一个逻辑链路组成的环形结构，包括主环（Main Ring）和备用环（Standby Ring）。

任何时候，只有一个环像正常工作，而其他环都处于备用状态。

当主环发生中断时，备用环会立即接管主环的通信，从而实现网络的快速恢复。

在ERPS中，主环和备用环之间通过一个称为ERM （ERPS Control Message）的控制报文进行通信，以实现网络状态的同步和故障的检测。

ERPS协议支持两种运行模式：链路模式和端口模式。

链路模式下，ERPS关注链路层的故障，当主环中的任何一个链路发生故障时，备用环会接管故障链路的通信。

端口模式下，ERPS关注端口层的故障，当主环中的端口发生故障时，备用环会接管故障端口的通信。

这两种模式可以根据网络需求进行选择，以实现最佳的冗余效果。

ERPS协议的主要特点和功能如下：1. 快速收敛时间：ERPS采用了最短路径优先（SPF）算法，并使用非对称链路切换时间（AToZTime）和对称链路切换时间（ZToATime）来实现快速收敛。

这使得在主环发生中断时，备用环可以在几毫秒的时间内恢复网络的连通性。

2.环路检测和丢弃：ERPS协议能够检测和防止环路的出现，以避免数据包在网络中无限循环。

当ERPS检测到环路时，它会立即将环路断开，并通过控制报文通知其他设备，以实现环路的快速消除。

3.多级环网支持：ERPS协议支持多级环网的配置，可以在多个环网之间实现冗余和扩展。

基于IEC 62439-2标准的提高工业以太网可靠性的方法研究徐琳升;胡立生【摘要】介绍了介质冗余协议(MRP)的基本原理,并对MRP网络故障恢复时间和网络客错能力进行分析.为实现两个MRP环网间的通信,构建了互连介质冗余协议(IMRP).IMRP的应用可实现工业以太网的网络拓扑重构,增强工业以太网的网络可靠性.【期刊名称】《化工自动化及仪表》【年(卷),期】2015(042)009【总页数】4页(P1009-1012)【关键词】工业以太网;介质冗余协议;互连介质冗余协议;网络容错【作者】徐琳升;胡立生【作者单位】上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240;上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TP393工业以太网具有成本低、传输速率高且开放性好的特点[1]，越来越多的工业控制系统中的通信任务都采用工业以太网技术来完成。

以太网是以办公自动化为标准设计的，并没有考虑工业现场环境，如高温、高压及强电磁等。

因此，以太网的工业现场应用必须解决可靠性问题。

工业应用对网络可靠性的要求主要体现在两个方面：一是网络的故障容错能力，二是网络故障发生时，网络检测恢复时间小于宽限时间(系统可容忍的网络中断时间)。

路径冗余是提高工业以太网可靠性的常用方法，其中环状拓扑提供了一种最为简单、高效的单点容错路径冗余解决方案。

目前，工业应用最为广泛的路径冗余方法就是IEC 62439-2标准中定义的运行在数据链路层的介质冗余协议(MRP)。

MRP提供了一种在以太网环形网络中能够快速检测环网中的链路故障，并能在故障发生时建立新的网络拓扑来恢复网络，实现通信冗余的方法[2]。

由多个工业以太网交换机组成以太网环形网络，交换机在物理上连接成环，在逻辑上为链状结构，交换机中有且仅有一个设置为主站(MRM)，主站负责控制网络逻辑结构；其他设置为从站(MRC)，通过各交换机环端口状态切换实现环网冗余链路备份。

西门子交换机 SCALANCE X 冗余环网SIEMENS Switch SCALANCE X Redundant RingGetting-StartedEdition (2008-1)SIEMENS A&D CS摘 要 随着工业以太网的广泛应用,工业控制对以太网的冗余技术要求也不断提高.西门子 工业级交换机 SCALANCE X400/300/200 以及 OSM/ESM 支持高速的冗余环网,即 HSR (High Speed Ring) .另外还支持环与环之间的 STBY 的热备连接,构建环与环之间的冗余路径.这 些都增加了网络系统的可靠性.由于 SCALANCE X 交换机配置 HSR 和 STBY 的方式是类似 的,所以本文例举西门子交换机 SCALANCE X400,通过配置 HSR 和 STBY 组态,帮助用户快 速的了解 HSR/STBY 和配置 HSR/STBY. 关键词 西门子交换机,SCALANCE X,高速冗余环网,环网间热备,冗余管理器 Key Words SIEMENS Switch, SCALANCE X, HSR, STBY, RM (Redundancy manager)A&D Service & SupportPage 2-8冗余环网,各台交换机通过冗余环口依次进行连接,如下图高速冗余环网HSR. SCALANCE X400可以作为冗余管理器RM,管理冗余环网,为了保证系统的快速重构和稳定 性最多50个交换机连接在环上.除了其它交换机需要设置冗余环口,在网络正常的情况下, RM的其中的一个冗余环口会处于断开状态.这样整个网络处于一种线型结构.冗余管理器监 控网络状态,当网络上的连接线断开或交换机故障,它会通过一个替代路径恢复另外一种线 型结构.整个网络的重构时间小于0.3秒.如果问题被消除,会恢复原有的线型结构.在一个 环网中,只能存在一个交换机组成冗余管理器.环网可以是电气环网也可以是光纤环网,也 可以是电气和管线混合的环网.另外,可以利用SCALANCE X 400的千兆端口,组成高速冗余 的千兆环网.AB高速冗余环网 HSR环间热备 STBY环网之间的冗余备份 STBY,通过两台交换机各自连接到另外一个环网的两台交换机,如 上图环间热备 STBY.仅需要在同一个环网中的两个交换机 A 和 B(与另外一个环网进行冗余 连接)进行组态,即可完成环网之间的连接冗余.这两个交换机 A 和 B 通过网络相互交换数 据来同步它们的运行状态,其中一台设备作为 Master,另外一台设备作为 Slave.在网络正 常的情况下,仅是 Master 与另外一个环网的连接是激活的,即通讯数据通过该连接完成两个 环网之间的通讯.如果 Master 的连接断开或 Master 交换机故障,这时 Salve 会激活其连 接,这时两个环网之间的数据就通过 Slave 的连接来完成.如果故障恢复,Master 会重新作 为环网之间的激活连接.STBY 可以是电气连接也可以是光纤连接.另外,可以利用 SCALANCE X 408 的千兆端口,组成千兆环网冗余热备.A&D Service & SupportPage 3-8SCALANCE X 400冗余环网组态: 配置 RM 对于 SCALANCE X414-3E,可以使用 Slot 4 上 CPU 的 DIP 开关,具体方式如下: 交换机 RM STBY 状态 OFF ON 意义 SCALANCE X414-3E 不作为 RM SCALANCE X414-3E 作为 RM 该功能无效,需要软件配置.当 R1 和 R2 的 DIL 开关都为 ON 状态,也可以使用 Web 页面来设置.点击目录树 X400 Ring Config,使能 Redundancy Manager(RM) enabled.配置 RM对于 SCALANCE X408,仅需要通过 Web 页面来设置.点击目录树 X-400 Ring Config, 使能 Redundancy Manager(RM) enabled.点击 Set Values 按钮结束设置.A&D Service & SupportPage 4-8配置 环口环网中设置完毕 RM 后,所有的交换机 SCALANCE X414-3 都需要同时设置环口.设置环口 可以通过 CPU 槽上 DIL 开关来设置,具体方式如下: 交换机 R1 R2 R1 R2 R1 R2 R1 R2 状态 OFF OFF ON OFF OFF ON ON ON 意义 Slot5 槽上的千兆端口作为环口. Slot6 槽上的端口 1,2 作为环口. Slot6 槽上的端口 1 是环口,Slot7 槽上的端口 1 是环口. 禁止 DIL 设置环网冗余.当 R1 和 R2 的 DIL 开关都为 ON 状态,也可以使用 Web 页面来设置.点击目录树 X400 Ring Config,使能 Ring Redundancy enabled 并选择环网连接的环口.点击 Set Values 按钮结束设置. 这样 SCALANCE X414-3E 作为 RM 的组态如下:非 RM 的 SCALACNE X414-3E 的组态如下:A&D Service & SupportPage 5-8配置 环口对于 SCALANCE X408,仅需要通过 Web 页面来设置.点击目录树 X-400 Ring Config, 使能 Ring Redundancy enabled 并选择环网连接的环口.点击 Set Values 按钮结束设置. 这样 SCALANCE X408 作为 RM 的组态如下:非 RM 的 SCALACNE X408 的组态如下:SCALANCE X 400 环网间热备组态:A&D Service & SupportPage 6-8配置 STBY参考上图,环间热备 STBY,对于 SCALANCE X400,热备另外一个环仅需要设置在同一个 环网中的两个交换机 A 和 B 进行组态,即可完成环网之间的连接冗余.SCALANCE X 400 通过 Web 页面来设置.对于 A 和 B,点击目录树 X-400 Standby Mask,使能 Standby Connection enabled.设置名字 STBY(可任意设置),不过两台交换机 A 和 B 需要设置相 同的名字,需要注意大小写,不过同一环网中只能有一对交换机使用这个名字,可以有多 对用于环网间热备,每一组(对)拥有不同于其它组唯一的名字.然后使能 STBY 环口监 视,通过该端口连接另外一个环.A 是 Port11.1,B 是 Port10.2.A 和 B 可以使用不同的端 口来连接另外一个环.交换机 A 的 STBY 组态:交换机 B 的 STBY 组态:MAC 地址大的交换机为 Master.A&D Service & Support Page 7-8附录-推荐网址NET 西门子(中国)有限公司 自动化与驱动集团 客户服务与支持中心 网站首页:/Service/ 专家推荐精品文档:/Service/recommend.asp Net常问问题:/CN/view/zh/10805868/133000 Net更新信息:/CN/view/zh/10805868/133400 "找答案"Net版区: /service/answer/category.asp?cid=1031A&D Service & SupportPage 8-8。