交換機冗余鏈路技術在工控網中的應用

柳永燦 張坤 楊強

摘要 工業生產過程中，隨著自動化程度的不斷加深，操作指令的傳遞越來越多地依賴于計算機網絡。各樞紐設備和其他關鍵節點之間所形成的網絡是否穩定可靠，是否具備冗佘和高容錯性，直接關系到生產過程是否平穩順利。本文通過對交換機冗佘鏈路技術的研究，搭建了具備生成樹協議的冗余實驗網絡，分析和驗證了不同品牌交換機在實際組網案例中的具體應用。

[關鍵詞]冗余鏈路 環路 生成樹協議

工業以太網具有特殊性，只有健壯、高效和可靠的網絡才能滿足自動化工業生產的要求。然而在諸多應用到工業以太網的場合，其設備所處的環境都相當復雜，用戶對以太網的可靠性要求也越來越高。交換機冗余鏈路技術可以解決因突發線路故障造成的信息中斷問題，保證在網絡單鏈路發生中斷時，對聯網設備幾乎沒有任何影響。這大大提高了工業以太網應用到生產實踐的可行性。

1 冗余鏈路應用案例

為了直觀的了解冗余鏈路的基本形態，我們可以通過一個簡單的案例進行介紹。某工業自動化系統中包含1臺服務器和3臺終端，要求所有設備組成局域網并相互連通，具備高可靠性。我們根據要求大致有兩種解決方案：

（1）建立樹形網絡，以1臺交換機為核心向其它3臺交換機擴展;

（2）將4臺交換機組成環形網絡，建立冗余鏈路，如圖1所示。

方案一，優點是網絡拓撲清晰、交換機配置簡單明了，缺點是三條鏈路均無冗余備份能力，自動化系統運行過程中如果任何一條鏈路發生故障都會嚴重影響生產過程;方案二，優點是通過交換機冗余連接技術可以確保在任何一條鏈路發生故障時，都不會影響任一設備的連通性，網絡容錯能力強，缺點是交換機配置較為復雜，易產成環路影響。在本文中我們主要對第二套方案進行分析，通過介紹環路影響和生成樹協議的基本概念，熟悉交換機關于生成樹協議的具體配置，進一步完成模擬實驗。

2 環路帶來的影響

在圖1所示案例中，我們能很明顯地看到，交換機SW1、SW2、SW3與SW4在物理連接上形成了一個環路。交換網絡如果發生邏輯環路后果是非常嚴重的，它的具體現象包括廣播風暴、多幀復制及MAC地址表抖動，輕者會造成網速變慢，重者可以導致全網癱瘓。拿廣播風暴來講，當交換機的某個端口接收到數據包后，會完整地復制一份數據包轉發到本地網段的其它端口，收到數據包的端口會繼續向其所連接的設備和端口轉發，這樣一個數據轉發的過程就是“廣播”;當網絡形成環路或出現其他設計和連接問題時，數據包被轉發多次后又被發回原來的端口繼續循環轉發，網段內發生大量的重復廣播，數據幀被大量復制而占滿帶寬并消耗交換機的CPU資源，從而導致網絡阻塞甚至是網絡癱瘓，即所謂的“風暴”。

3 生成樹協議

生成樹協議可以很好地解決上述環路影響。接下來我們簡要介紹幾種IEEE生成樹協議及Cisco交換機MST協議。

3.1 STP基本原理介紹

生成樹協議（STP，Spanning TreeProtocol）根據IEEE 802.ld標準建立。配置STP協議后，網絡交換機可以通過彼此交互信息來發現環路，有選擇地阻塞掉某些端口，形成邏輯上無環路的網絡。STP端口狀態分為：Forwarding、Leaming、Listening、Blocking和Disabled，通過端口狀態的變化來確定邏輯鏈路的形態。

3.2 RSTP

IEEE 802.ld定義了STP之后，IEEE又推出了RSTP標準作為對STP的補充。RSTP協議端口狀態減為3種：Forwarding、Leaming、Discarding，極大的提高了收斂效率。

3.3 MSTP

MSTP與RSTP在許多方面是完全一致的，主要區別就在于MSTP可以在一個交換網絡中劃分多個MST域，在一個域中又可以有多個實例。其適用于一些規模較大，結構較為復雜的的多VLAN網絡，可在VLAN間實現數據流量的負載均衡。MSTP定義的端口狀態與RSTP協議中的定義完全相同。

3.4 Cisco交換機MST協議

CISCO的生成樹協議大體可分為STP、RSTP、PVST及MST協議等。其中MST與標準的MSTP協議基本一致。只要在與Cisco交換機連接的華為交換機上配置好“摘要偵聽”功能，它們就具備了很好的兼容性。

4 應用實驗

在工業以太網實際組網過程中，為了具備最好的設備兼容性，一般宜選用相同品牌的交換機進行組網。為了全面地了解不同品牌交換機關于生成樹協議的具體操作命令，同時應對部分情況下無法利用相同品牌交換機入網的實際情況，我們選用思科3750X、華為S3300、H3C S3600以及中興ZXR10-5250交換機來分別模擬圖l所示案例中的SW1、SW2、SW3及SW4組成實驗網絡。四種交換機根據命令行特點，大致分為華為模式和思科模式兩種。本實驗華為模式的交換機選用MSTP，思科模式的交換機選用MST。我們在交換機SW1上配置兩個VLAN（VLAN10，VLAN20），網橋ID設置為4096，成為根網橋。SW2、SW3、SW4交換機的網橋ID分別設置為8192、12288、16384，在所有交換機上將用于級聯的端口設為trunk模式，允許所有VLAN通過，將用于連接終端電腦的端口設置為access模式，配置在VLAN10中，將連接服務器的端口配置在VLAN20中。

4.1 網絡拓撲圖

如圖2所示。

4.2 交換機配置要點（部分代碼）

4.2.1 思科3750X （SWl）

spanning-tree pathcost method short//配置路徑開銷算法采用short方式

spanning-tree mode mst//配置生成樹協議模式為MST

spanning-tree mst configuration//配置業務vlanl0、vlan20在MSTO中

instance O vlan 10， 20

spanning-tree mst O priority 4096//將SW1配置為MSTO的根橋

interface GigabitEthernetl/0/3

spanning-tree portfast//配置連接PC的端口為邊緣端口，以免影響環網收斂

4.2.2華為S3300 （SW2）

stp instance O priority 8192//配置該交換機的網橋ID為8192

stp pathcost-standard dotld-1998//配置路徑開銷算法為dotld-1998，與思科short對應

stp enable

stp mode mstp//配置生成樹協議模式為MSTP

stp region-configuration//配 置 業 務vlanl0、vlan20在MSTO中

instance O vlan 10 20

active region-configuration

interface Ethemet0/0/1

stp config-digest-snoop//與思科連接的端口配置摘要偵聽

stp compliance dotls

bpdu enable//華為交換機需要打開bpdu收發開關，

interface Ethemet0/0/3

stp edged-port enable//邊緣端口使能命令

bpdu enable

4.2.3 H3C S3600（ SW3）

stp instance O priority 12288//配置該交換機的網橋ID為12288

stp mode mstp//配置生成樹協議模式為MSTP

stp pathcost-standard dotld-1998//配置路徑開銷算法為dotld-1998，與思科short對應

stp enable

stp region-configuration//配 置 業 務vlanl0、vlan20在MSTO中

instance O vlan 10 20

active region-configuration

interface Ethemetl/0/1

stp config-digest-snooping

stp compliance dotls

interface Ethemetl/0/3

stp edged-port enable//邊緣端口使能命令

4.2.4中興ZXR10-5250 （SW4）

set vlan 10 add port 3 untag//將3口設為access口，歸到VLAN10下

set port 3 pvid 10//把端 口3pvid至VLAN10中

set vlan 10 add port l-2 tag//設置端口1和2為trunk，允許VLAN10及VLAN20通過

set vlan 20 add port l-2 tag

set stp enable//開啟生成樹協議

set stp instance O priority 16384//配置該交換機的網橋ID為16384

set stp forceversion mstp//配置STP協議的強制類型為MSTP

set stp instance O add vlan 10，20//配置業務vlanl0、vlan20在MSTO中

set stp edge-port add port 3//將3口設為邊緣端口

4.3 測試

每臺交換機分別做完配置后，按照圖2的連接關系組成實驗網絡。3臺終端同時長ping服務器地址192.168.1.100，以測試網絡通斷。環網正常連接時，各終端均能正常plng通服務器。為了模擬實際運行過程中某一條線路突發中斷的情況，我們分別拔掉網線LINE1、LINE2、LINE3、LIN4中的一根，觀察各終端pmg服務器的情況，并記錄各交換機端口狀態。通過觀察，拔掉四條線路中的任何一條，各終端都能夠連續pmg通服務器或者掉1個包后繼續ping通，不會對信息傳輸產生影響。

5 結語

工業以太網，由于其所處環境較為復雜，生產過程中不可控因素較多，使得其對通信鏈路穩定性的要求大大加強。通過交換機冗余鏈路技術可以很好地解決網絡線路突發中斷造成的網絡故障，增強了整體網絡的容錯能力。當不同品牌交換機存在于同一個網絡時，通過對生成樹協議的正確配置，同樣可以使冗余鏈路技術得到很好地發揮。

參考文獻

[1]宋洪娟.VLAN與STP在園區網組建中的融合應用[D]，電腦知識與技術，2009 （05）.

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