徐琳升 胡立生

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

工業(yè)以太網(wǎng)具有成本低、傳輸速率高且開(kāi)放性好的特點(diǎn)[1]，越來(lái)越多的工業(yè)控制系統(tǒng)中的通信任務(wù)都采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)來(lái)完成。以太網(wǎng)是以辦公自動(dòng)化為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，并沒(méi)有考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，如高溫、高壓及強(qiáng)電磁等。因此，以太網(wǎng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用必須解決可靠性問(wèn)題。

工業(yè)應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是網(wǎng)絡(luò)的故障容錯(cuò)能力，二是網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生時(shí)，網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)恢復(fù)時(shí)間小于寬限時(shí)間(系統(tǒng)可容忍的網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)間)。路徑冗余是提高工業(yè)以太網(wǎng)可靠性的常用方法，其中環(huán)狀拓?fù)涮峁┝艘环N最為簡(jiǎn)單、高效的單點(diǎn)容錯(cuò)路徑冗余解決方案。目前，工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的路徑冗余方法就是IEC 62439-2標(biāo)準(zhǔn)中定義的運(yùn)行在數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)冗余協(xié)議(MRP)。

MRP提供了一種在以太網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中能夠快速檢測(cè)環(huán)網(wǎng)中的鏈路故障，并能在故障發(fā)生時(shí)建立新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪?lái)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通信冗余的方法[2]。由多個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成以太網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，交換機(jī)在物理上連接成環(huán)，在邏輯上為鏈狀結(jié)構(gòu)，交換機(jī)中有且僅有一個(gè)設(shè)置為主站(MRM)，主站負(fù)責(zé)控制網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)；其他設(shè)置為從站(MRC)，通過(guò)各交換機(jī)環(huán)端口狀態(tài)切換實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)冗余鏈路備份。MRP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1、2所示。

圖1 MRP環(huán)網(wǎng)閉合狀態(tài)

圖2 MRP環(huán)網(wǎng)斷開(kāi)狀態(tài)

MRM工作方式。MRM以預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔周期性地向兩個(gè)環(huán)端口發(fā)送鏈路檢測(cè)幀，如果MRM在設(shè)定時(shí)間超時(shí)前收到鏈路檢測(cè)幀，則說(shuō)明環(huán)鏈路處于閉合狀態(tài)。MRM的環(huán)端口一個(gè)設(shè)為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，另一個(gè)設(shè)為阻塞狀態(tài)，如圖1所示。如果MRM沒(méi)有在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)收到鏈路檢測(cè)幀，則說(shuō)明環(huán)鏈路處于斷開(kāi)狀態(tài)，MRM的兩個(gè)環(huán)端口都設(shè)為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，如圖2所示。

MRC工作方式。MRC如果檢測(cè)到本機(jī)環(huán)端口鏈路故障或鏈路恢復(fù)，則重新設(shè)置環(huán)端口狀態(tài)，并分別向兩個(gè)環(huán)端口發(fā)送鏈路故障幀或鏈路恢復(fù)幀；如果MRC在一個(gè)環(huán)端口收到鏈路檢測(cè)幀、鏈路故障幀、鏈路恢復(fù)幀或拓?fù)涓淖儙瑒t向另一個(gè)環(huán)端口轉(zhuǎn)發(fā)。

MRM和MRC交互方式。如果MRM收到MRC發(fā)出的鏈路故障幀或鏈路恢復(fù)幀，則加速鏈路檢測(cè)，即減小發(fā)送鏈路檢測(cè)幀的時(shí)間間隔；如果MRM檢測(cè)到環(huán)鏈路狀態(tài)發(fā)生變化，則重新設(shè)置環(huán)端口狀態(tài)，清空自身MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表，并以預(yù)設(shè)時(shí)間間隔分別向兩個(gè)環(huán)端口發(fā)送拓?fù)涓淖儙ㄖ狹RC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?；如果MRC收到MRM發(fā)出的拓?fù)涓淖儙瑒t重新設(shè)置環(huán)端口狀態(tài)，并清空MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表，學(xué)習(xí)新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

2 MRP性能分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時(shí)間計(jì)算

根據(jù)上文對(duì)MRP原理的介紹可以知道，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)間Trec主要由故障檢測(cè)時(shí)間Tdetect和環(huán)網(wǎng)中各交換機(jī)在接收到MRM發(fā)送的拓?fù)涓淖儙笄蹇兆陨鞰AC地址轉(zhuǎn)發(fā)表的時(shí)間Tflush兩部分組成，即：

Trec=Tdetect+Tflush

(1)

故障檢測(cè)時(shí)間Tdetect由MRM設(shè)定的檢測(cè)幀超時(shí)時(shí)間Ttest和檢測(cè)幀在環(huán)網(wǎng)中被轉(zhuǎn)發(fā)一周所需要的時(shí)間Tring組成，即：

Tdetect=Ttest+Tring

(2)

Ttest=MRP_TSTNRmax·MRP_TSTdefaultT

(3)

Tring=N(Tswitch+Tqueue+Tbit+Tline)

(4)

式中 MRP_TSTdefaultT——鏈路檢測(cè)幀發(fā)送周期；

MRP_TSTNRmax——最大重傳次數(shù)；

N——環(huán)網(wǎng)中交換機(jī)的個(gè)數(shù)；

Tswitch——交換機(jī)解析鏈路檢測(cè)幀的時(shí)間；

Tqueue——交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)幀時(shí)的排隊(duì)延遲；

Tbit——交換機(jī)接收或發(fā)送以太網(wǎng)幀所需的時(shí)間；

Tline——以太網(wǎng)幀在交換機(jī)之間傳播的時(shí)間。

當(dāng)MRM檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)故障后，便開(kāi)始以固定周期MRP_TOPchgT發(fā)送拓?fù)涓淖儙?。環(huán)網(wǎng)中MRC接收到MRM發(fā)送的最后一個(gè)拓?fù)涓淖儙螅瑢⑵渥陨鞰AC地址轉(zhuǎn)發(fā)表清空，故：

Tflush=Thold+Tring+TFDB

(5)

Thold=MRP_TOPchgT·MRP_TOPNRmax

(6)

式中 MRP_TOPchgT——MRM發(fā)送拓?fù)涓淖儙闹芷冢?/p>

MRP_TOPNRmax——拓?fù)涓淖儙淖畲笾貍鞔螖?shù)；

TFDB——交換機(jī)清空MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表的時(shí)間；

Thold——MRM周期性發(fā)送拓?fù)涓淖儙臅r(shí)間；

Tring——拓?fù)涓淖儙诃h(huán)網(wǎng)中一周所需的時(shí)間。

綜上所述，MRP的網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)間為：

Trec=MRP_TSTNRmax·MRP_TSTdefaultT+2N(Tswitch+

Tqueue+Tbit+Tline)+MRP_TOPchgT·

MRP_TOPNRmax+TFDB

(7)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障恢復(fù)時(shí)間的要求，通過(guò)對(duì)式(7)中一些可變參數(shù)的設(shè)定，即可得到滿足不同要求的網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時(shí)間。例如，將式(7)中的每個(gè)參數(shù)設(shè)定為：MRP_TSTNRmax=3，MRP_TSTdefaultT=1ms，N=50，Tswitch=0.01ms，Tqueue忽略，Tbit=0.00512ms，Tline=0.0005ms，TFDB=0.5ms，Thold=0.5ms×3。代入式(7)可得網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時(shí)間Trec=1×3+2×50×(0.01+0.00512+0.0005)+1.5+0.5≈6.6ms

通過(guò)以上分析可知，基于單環(huán)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞腗RP協(xié)議能夠快速檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)故障，并在網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生時(shí)通過(guò)建立新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖倩謴?fù)網(wǎng)絡(luò)，恢復(fù)時(shí)間為毫秒級(jí)。這在一定程度上提高了工業(yè)以太網(wǎng)的可靠性。

2.2 MRP網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)分析

網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力定義為，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)保持全網(wǎng)連通的能力，即任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都保持通信的能力[3]。MRP是基于單環(huán)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的冗余協(xié)議。因此，其網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力僅為單點(diǎn)故障，即MRP僅在網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)鏈路或節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)能保證全網(wǎng)的連通性。綜上可知，MRP的故障恢復(fù)時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力均與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械墓?jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)有關(guān)。由式(7)可知，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N增大時(shí)MRP的網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時(shí)間將增大；同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)多點(diǎn)故障的概率隨之增大。因此，在MRP的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)環(huán)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N的最大值有一定的限制。

為了減小MRP的網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時(shí)間，提高網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力，通常將節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大的MRP環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分割成幾個(gè)小的環(huán)網(wǎng)拓?fù)?，然后分別應(yīng)用MRP。這就對(duì)分割后的各個(gè)環(huán)網(wǎng)間的通信提出了要求。筆者參照MRP基本原理，構(gòu)建了一種用于環(huán)網(wǎng)間通信的互連介質(zhì)冗余協(xié)議(IMRP)。

3 互連介質(zhì)冗余協(xié)議

IMRP是可用于MRP環(huán)網(wǎng)間通信的數(shù)據(jù)鏈路層路徑冗余協(xié)議。與MRP類似，IMRP也具有快速檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)故障，并通過(guò)建立新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪?lái)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的能力。下面以連接兩個(gè)MRP環(huán)網(wǎng)為例，詳細(xì)介紹IMRP，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3、4所示。

圖3 IMRP環(huán)網(wǎng)閉合狀態(tài)

圖4 IMRP環(huán)網(wǎng)斷開(kāi)狀態(tài)

圖3、4中，在每個(gè)MRP環(huán)網(wǎng)中分別任意選出兩個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)(MRM、MRC均可)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)指定一個(gè)互連端口，4個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)互聯(lián)端口和環(huán)端口在物理上連接成環(huán)。指定其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)(MIM)，管理整個(gè)IMRP環(huán)網(wǎng)，其余3個(gè)節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)(MIC)。

3.1檢測(cè)/控制幀

設(shè)計(jì)一個(gè)長(zhǎng)度為64字節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀，其幀格式如圖5所示。

圖5 檢測(cè)/控制幀格式

圖5中，幀頭部為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀頭。數(shù)據(jù)部分各字段的含義如下：

IMRP_Length 幀長(zhǎng)度

IMRP_Type 幀類型

IMRP_InID IMRP的ID號(hào)

IMRP_SA 發(fā)送該幀的主機(jī)MAC地址

IMRP_Interval 時(shí)間間隔

Padding 無(wú)效填充

IMRP中使用的以太網(wǎng)幀類型共有以下幾種：

a. IMRP_Test幀。鏈路檢測(cè)幀，由MIM以預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔IMRP_TSTdefault周期性地發(fā)出，來(lái)檢測(cè)IMRP環(huán)網(wǎng)狀態(tài)。

b. IMRP_TopologyChange幀。拓?fù)涓淖兺ㄖ獛?，由MIM發(fā)出，來(lái)通知MRP環(huán)網(wǎng)和IMP環(huán)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母淖儭?/p>

c. IMRP_LinkUp幀。當(dāng)MIC檢測(cè)到鏈路恢復(fù)時(shí)發(fā)送該幀，通知MIM鏈路的恢復(fù)。

d. IMRP_LinkDown幀。當(dāng)MIC檢測(cè)到鏈路斷開(kāi)時(shí)發(fā)送該幀，通知MIM鏈路斷開(kāi)。

3.2 IMRP基本原理

IMRP采用與MRP相同的循環(huán)檢測(cè)機(jī)制，具有以下3種工作方式。

MIM工作方式。MIM以預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔IMRP_TSTdefault周期性地向環(huán)端口和互連端口發(fā)送IMRP_Test幀。若MIM在設(shè)定時(shí)間IMRP_TSTNRmax×IMRP_TSTdefault超時(shí)前收到本機(jī)發(fā)出的IMRP_Test幀，則說(shuō)明IMRP環(huán)網(wǎng)處于閉合狀態(tài)。此時(shí)，MIM將互連端口設(shè)為阻塞狀態(tài)，如圖3所示。若MIM在設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)收到本機(jī)發(fā)出的IMRP_Test幀，則說(shuō)明IMRP環(huán)網(wǎng)處于斷開(kāi)狀態(tài)，MIM將互連端口設(shè)為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，如圖4所示。

MIC工作方式。若MIC檢測(cè)到互連鏈路故障，則設(shè)置互連端口為阻塞狀態(tài)，并分別向環(huán)端口發(fā)送IMRP_LinkDown幀；若MIC檢測(cè)到互連鏈路恢復(fù)，則分別向環(huán)端口發(fā)送IMRP_LinkUp幀；若MIC收到IMRP_LinkDown幀或IMRP_LinkUp幀，則轉(zhuǎn)發(fā)。

MIM與MIC交互方式。若MIM收到MIC發(fā)出的IMRP_LinkDown幀，則立即將互連端口設(shè)為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，清空本機(jī)MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表，并通過(guò)環(huán)端口和互連端口發(fā)送IMRP_TopologyChange幀，通知其連接的兩個(gè)MRP環(huán)網(wǎng)中的其他節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化；若MIM收到MIC發(fā)出的IMRP_LinkUp幀，則MIM加速鏈路檢測(cè)，若檢測(cè)到鏈路閉合，則設(shè)互連端口為阻塞狀態(tài)，同樣清空本機(jī)MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表，并發(fā)送IMRP_TopologyChange幀；若MIC收到MIM發(fā)出的IMRP_TopologyChange幀，則重新設(shè)置互連端口狀態(tài)，清空本機(jī)MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表，并轉(zhuǎn)發(fā)該幀。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)越來(lái)越多的應(yīng)用，其網(wǎng)絡(luò)可靠性的增強(qiáng)也成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。筆者參考目前應(yīng)用最廣泛的MRP基本原理，構(gòu)造了用于互連通信的IMRP，從而進(jìn)一步提高工業(yè)以太網(wǎng)的可靠性。

[1] 肖賀，管海兵，宦飛.工業(yè)以太網(wǎng)冗余技術(shù)分析[J].通信技術(shù)，2012，(3):59～63，67.

[2] IEC 62439-2，High Availability Automation Networks[S].Geneva:International Electrotechnical Commission，2008.

[3] 張雷.工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)與優(yōu)化研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.