工業以太網冗余原理分析及解決機制

　　1、引言
　　
　　在一個橋接的局域網里，為了增強可靠性，必然要建立一個冗余的路徑，網段會用冗余的網橋連接。但是，在一個透明橋橋接的網絡里，存在冗余的路徑就能建立一個橋回路，橋回路對于一個局域網是致命的。它會帶來如下問題：
　　
　　A.廣播風暴
　　
　　B.同一幀的多份拷貝
　　
　　C.不穩定的MAC地址表
　　
　　因此，在交換網絡中必須有一個機制來阻止回路。
　　
　　2、生成樹協議
　　
　　生成樹協議就是IT界中常用的機制.生成樹協議是一種橋嵌套協議，在IEEE802.1d規范里定義，可以用來消除橋回路。它的工作原理是這樣的：生成樹協議定義了一個數據包，叫做橋協議數據單元BPDU（BridgeProtocolDataUnit）。網橋用BPDU來相互通信，并用BPDU的相關機能來動態選擇根橋和備份橋。但是因為從中心橋到任何網段只有一個路徑存在，所以橋回路被消除。
　　
　　在一個生成樹環境里，橋不會立即開始轉發功能，它們必須首先選擇一個橋為根橋，然后建立一個路徑。在一個網絡里邊擁有zui低橋ID的將變成一個根橋，全部的生成樹網絡里面只有一個根橋。根橋的主要職責是定期發送配置信息，然后這種配置信息將會被所有的橋發送。這在生成樹網絡里面是一種機制，一旦網絡結構發生變化，網絡狀態將會重新配置。
　　
　　當選定根橋之后，在轉發數據包之前，它們必須決定每一個網段的橋，運用生成樹的這種算法，根橋每隔2秒鐘從它所有的端口發送BPDU包，BPDU包被所有的橋從它們的根端口復制過來，根端口是接根橋的那些橋端口。BPDU包括的信息叫做端口的COST，網絡管理員分配端口的COST到所有的橋端口，當根橋發送BPDU的時候，根橋設置它的端口值為零。然后沿著這條路徑，下一個橋增加它的配置端口COST為一個值，這個值是它接收和轉發數據包到下一個網段的值。這樣每一個橋都增加它的端口的COST值為它所接收的BPDU的包的COST值，所有的橋都檢測它們的端口的COST值，擁有zui低端口的COST值的橋就變為了的橋。擁有比較口COST值的橋置它的端口進入阻塞狀態，變為了備份橋。在阻塞狀態，一個橋停止了轉發，但是它會繼續接收和處理BPDU數據包。
　　
　　IEEE802.1D規范包括了生成樹算法（SpanningTreeAlgorithm，STA），這是一種確保轉發循環永遠不會發生的機制。STA使用網橋協議數據單元（BridgeProtocolDataUnits，BPDU），自動配置網橋上處于轉發或阻塞狀態的獨立端口。BPDU是網橋發送到一個已保存的多播MAC地址（對于以太網，這個地址是01-80-C2-00-00-00）的消息，所有透明網橋都會偵聽該地址。在阻塞狀態下，端口不會獲悉或轉發已接收到的幀。STA的zui終結果是一個無循環的橋接環境，不管局域網網段拓撲結構是否改變，這個環境總是一直存在。生成樹算法,決定了網絡鏈路故障恢復時間,zui少不低于15秒。
　　
　　生成樹的狀態:
　　
　　運行生成樹協議的交換機上的端口，總是處于下面五個狀態中的一個：
　　
　　阻塞：所有端口以阻塞狀態啟動以防止回路，由生成樹確定哪個端口切換為轉發狀態，處于阻塞狀態的端口不轉發數據幀但可接受BPDU。
　　
　　監聽：不轉發數據幀，但檢測BPDU（臨時狀態）。
　　
　　學習：不轉發數據幀，但學習MAC地址表（臨時狀態）。
　　
　　轉發：可以傳送和接受數據數據幀。
　　
　　禁用：通常由于端口故障或交換機配置錯誤引起.
　　
　　3、Supreme-Ring協議
　　
　　Supreme-Ring協議是在工業以太網使用的冗余機制。Supreme-Ring協議和生成樹協議有點相似，Supreme-Ring協議也定義了一種數據包，稱為HELLO包，又稱為WD包（WatchDogPackets）。交換機之間用HELLO包通信，在主交換機上動態選擇主鏈路和備份鏈路。但是因為從中心橋到任何網段只有一個路徑存在，所以橋回路被消除。
　　
　　在工業冗余環網網絡環境里,交換機不會立即開始轉發功能,主交換機（Local）由手動,選擇主鏈路和備份鏈路建立一個路徑,由Supreme-Ring協議自動。一個工業冗余環網網絡里面只能有一個主交換機（Local）。主交換機（Local）會定期發送配置信息，這種配置信息將會被所有的從交換機（Remote）發送。一旦網絡結構發生變化，網絡狀態將會重新配置。
　　
　　當主交換機（Local）之后，在轉發數據包之前，所有端口都以阻塞方式啟動。運用Supreme-Ring算法，主交換機（Local）選擇zui低COST值的端口作為主鏈路，另一條COST值高的端口作為備份鏈路。備份鏈路不轉發數據，只接收和處理HELLO包，處于熱備（HotStandby）狀態。從交換機（Remote）沒有主鏈路和備份鏈路的區別。Supreme-Ring協議是一種簡潔的冗余協議，能夠保證環網在鏈路故障時，在300ms之內恢復網絡通信。
　　
　　Supreme-Ring的狀態：
　　
　　運行Supreme-Ring協議的交換機上的端口，總是處于下面四個狀態中的一個：
　　
　　阻塞：所有端口以阻塞狀態啟動以防止回路，處于阻塞狀態的端口不轉發數據幀但可接受HELLO包。
　　
　　熱備：不轉發數據幀，但學習MAC地址表，在主鏈路故障時，在300ms之內，立刻進入轉發狀態。
　　
　　轉發：可以傳送和接受數據數據幀。
　　
　　禁用：通常由于端口故障或交換機配置錯誤引起。
　　
　　4、結束語
　　
　　工業網絡環境需要快速反應冗余機制，生成樹協議的15秒恢復時間，不能滿足工業環境要求。只有采用Supreme-Ring協議才是工業網絡環境的*冗余機制。