一種新型工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

劉志坤 郭呈 王帥兵

摘要：工業(yè)以太網(wǎng)是計(jì)算機(jī)革命帶來(lái)的新型基礎(chǔ)設(shè)施。工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的拓展能力、集成能力和確定性通訊能力提出了更高的要求。針對(duì)傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)在應(yīng)用中遇到的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不靈活、廣播風(fēng)暴風(fēng)險(xiǎn)等問題，從以太網(wǎng)交換機(jī)的工作原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套新型的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并命名為EOE（Ethernet Over Ethernet）。這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)兼容傳統(tǒng)的以太網(wǎng)架構(gòu)和硬件設(shè)備，支持靈活多變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而為多網(wǎng)融合提供了技術(shù)基礎(chǔ)。與此同時(shí)，加入了確定性通訊機(jī)制，從而確保根除網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

關(guān)鍵詞：新型工業(yè)以太網(wǎng)； 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?多網(wǎng)融合； 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴； EOE

中圖分類號(hào)：TN915.85 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）30-0037-03

Abstract： Industrial Ethernet is a new infrastructure brought about by the computer revolution. The arrival of the era of industrial 4.0 has put forward higher industrial Ethernet requirements for the expansion capability， integration ability and deterministic communication capability. In view of the problems of inflexible network structure and broadcast storm risk encountered in the application of traditional industrial Ethernet， a new type of industrial Ethernet network architecture is designed. It changed the working principle of Ethernet switch， and named EOE （Ethernet Over Ethernet）. This network architecture is compatible with traditional Ethernet architectures and hardware devices， and supports flexible topology， thus providing a technical foundation for multi network convergence. At the same time， a deterministic communication mechanism is added to ensure the eradication of the network storm.

Key words： new industrial ethernet； network topology； multi network convergence； network storm； EOE

1 引言

1972年Xerox公司開發(fā)了基于ALOHA（無(wú)線分組廣播網(wǎng)）思想的實(shí)驗(yàn)性局域網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率達(dá)到2.94Mbps，并于次年命名為Ethernet。1990年以太網(wǎng)的10BASE-T標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，雙絞線成為以太網(wǎng)的新介質(zhì)，同年，以太網(wǎng)交換機(jī)問世。從此以太網(wǎng)以大家熟知的交換機(jī)、雙絞線的方式一直存在到現(xiàn)在。

交換機(jī)作為以太網(wǎng)組網(wǎng)必不可少的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)著相當(dāng)重要的地位，其工作原理決定了以太網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。交換機(jī)的工作原理大致如下：

（1）交換機(jī)根據(jù)收到數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址建立該地址同交換機(jī)端口的映射，并將其寫入MAC地址表中。

（2）交換機(jī)將數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表進(jìn)行比較，以決定由哪個(gè)端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）如數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址不在MAC地址表中，則向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)。這一過(guò)程稱為泛洪（flood）。

（4）廣播幀和組播幀向所有的端口轉(zhuǎn)發(fā)。

2 傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用瓶頸

從交換機(jī)的工作原理上我們可以看出，交換機(jī)最重要的是MAC地址表，根據(jù)設(shè)備MAC來(lái)決定轉(zhuǎn)發(fā)的方向。而經(jīng)過(guò)哪些交換機(jī)，并沒有在交換原理中體現(xiàn)。數(shù)據(jù)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中選取唯一一條路徑轉(zhuǎn)發(fā)到目的交換機(jī)的目的端口，當(dāng)這條路徑故障，此刻的數(shù)據(jù)幀也就丟失了。

其次，當(dāng)目的MAC不在MAC表中時(shí)，交換機(jī)采取泛洪轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)交換機(jī)自己成環(huán)或者網(wǎng)絡(luò)中有一些交換機(jī)成環(huán)時(shí)，一些找到不到目的地的數(shù)據(jù)幀就會(huì)在這個(gè)環(huán)里無(wú)限泛洪，直至把所有的帶寬占滿，使正常的數(shù)據(jù)無(wú)法通過(guò)交換機(jī)，這就是經(jīng)常提到的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的出現(xiàn)屬于重大網(wǎng)絡(luò)事故，其影響范圍廣，破壞性大，一直是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與維護(hù)的噩夢(mèng)。

環(huán)網(wǎng)的形成是網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的起因，在交換機(jī)上當(dāng)然要做相應(yīng)的保護(hù)、預(yù)防的機(jī)制。如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的生成樹協(xié)議、RRPP協(xié)議、廠家私有的快速環(huán)網(wǎng)倒換協(xié)議等。其原理基本一致，如圖1，物理的連接上形成環(huán)路，但在軟件層次，其中一臺(tái)交換機(jī)（主站）的一個(gè)端口是關(guān)閉的，關(guān)閉的端口不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。實(shí)際上數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中走的路線仍然是一條鏈型。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)鏈路故障時(shí)，主站交換機(jī)將之前關(guān)閉的端口打開，這樣既避免了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的形成，又給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)冗余特性。

從交換機(jī)的工作原理以及環(huán)網(wǎng)的處理方式上，我們能看出：

（1）數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中是單一路徑的，任何網(wǎng)絡(luò)故障都會(huì)導(dǎo)致這唯一一份數(shù)據(jù)的丟失。環(huán)網(wǎng)倒換需要時(shí)間，在倒換期間，交換機(jī)是不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的。一般工業(yè)級(jí)交換機(jī)會(huì)有20～30ms的倒換時(shí)間。

（2）網(wǎng)絡(luò)存在廣播風(fēng)暴的隱患。

（3）環(huán)網(wǎng)需要保護(hù)協(xié)議進(jìn)行保護(hù)，在復(fù)雜拓?fù)渲?，配置相?dāng)復(fù)雜，不具備一定能力的工程師完成不了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)協(xié)議配置。并且，限制了二層拓?fù)涞亩鄻有?，組網(wǎng)到一定復(fù)雜度后，保護(hù)協(xié)議的能力達(dá)到瓶頸。

3 新型工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計(jì)

針對(duì)上述傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用弊端，本文從交換設(shè)備本身的特性出發(fā)，重新定義網(wǎng)絡(luò)交換交換設(shè)備，從而設(shè)計(jì)新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

系統(tǒng)設(shè)備、終端（比如電腦），網(wǎng)絡(luò)是為這些終端傳遞一個(gè)信息的載體，網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)相對(duì)于終端來(lái)說(shuō)是透明的，不存在的。網(wǎng)絡(luò)只要保證發(fā)送端的數(shù)據(jù)，到達(dá)接收端的數(shù)據(jù)是一致的就可以，至于在網(wǎng)絡(luò)中傳輸過(guò)程中是怎么樣的狀態(tài)對(duì)終端來(lái)說(shuō)是不關(guān)心的。

從這個(gè)角度，我們賦予交換機(jī)等多的轉(zhuǎn)發(fā)原理，去解決發(fā)現(xiàn)的問題。以以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，增加傳輸過(guò)程中的必要結(jié)構(gòu)封裝，在網(wǎng)絡(luò)出口處還原成標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，這就是我們提出的新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的思想來(lái)源，命名為Ethernet Over Ethernet（以下簡(jiǎn)稱EOE）。EOE的理論是增加交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)邏輯，但保持網(wǎng)絡(luò)入口和出口的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)格式。

3.1 什么是EOE

假如我們將通信看成在公路上開車，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)只標(biāo)記這輛車（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備即源、目的MAC），但EOE網(wǎng)絡(luò)將車和路（交換機(jī)）都進(jìn)行了標(biāo)記。

傳統(tǒng)的交換機(jī)只根據(jù)源MAC、目的MAC進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)是哪個(gè)交換機(jī)來(lái)的，到哪的交換機(jī)去，中間經(jīng)過(guò)多少個(gè)交換機(jī)等路徑信息并沒有在轉(zhuǎn)發(fā)邏輯中。而EOE在源、MAC地址的基礎(chǔ)上，對(duì)交換機(jī)進(jìn)行標(biāo)記。在處理報(bào)文的時(shí)候，還能判斷出數(shù)據(jù)幀應(yīng)該往哪一臺(tái)或哪一些交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，將二維通信上升到三維通信。

3.2 EOE能做什么

3.2.1 數(shù)據(jù)多路徑

因?yàn)槊恳慌_(tái)交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中都有唯一標(biāo)識(shí)，所有選取路徑成為可能。在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)之前，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)當(dāng)前的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)、帶寬情況智能可以選取n條可到達(dá)目的交換機(jī)的優(yōu)秀路徑，目前我們開發(fā)的模型是選取4條。這4條路徑將終端的唯一數(shù)據(jù)幀復(fù)制成4份相同的數(shù)據(jù)幀，在4條不同的路徑同時(shí)向目的交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。到達(dá)目的交換機(jī)后，經(jīng)過(guò)校驗(yàn)流程，丟棄3分?jǐn)?shù)據(jù)或者未到達(dá)的數(shù)據(jù)，向目的終端發(fā)送一份數(shù)據(jù)。如圖2（3條路徑）所示。

當(dāng)選取的路徑中發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)選取其他優(yōu)秀的路徑進(jìn)行補(bǔ)充，直至網(wǎng)絡(luò)剩最后一條物理路徑。

這樣的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的冗余性、安全性更高，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中多條路徑上都存在，即使某一條或幾條路徑出現(xiàn)故障，只要有唯一一條物理路徑存在，終端數(shù)據(jù)到達(dá)目的地的數(shù)據(jù)就是完整的數(shù)據(jù)。首先，冗余性增加了，環(huán)網(wǎng)的冗余性是1，同時(shí)2個(gè)故障點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)孤島網(wǎng)絡(luò)。EOE網(wǎng)絡(luò)的冗余性大幅增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)網(wǎng)的冗余性。其次，所有故障，在EOE網(wǎng)絡(luò)中是“零自愈”的，即故障發(fā)生時(shí)，終端沒有感知，不丟幀，終端應(yīng)用不斷連接。這一屬性在工業(yè)或者行業(yè)應(yīng)用中具有重大意義。

3.2.2 根除網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴

既然可以標(biāo)記交換機(jī)，那就可以唯一標(biāo)記同一臺(tái)交換機(jī)發(fā)出去的每一幀，當(dāng)每個(gè)幀都具備唯一標(biāo)識(shí)后，就可以從根源上解決網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的問題。當(dāng)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀時(shí)，從本身發(fā)出去的幀，再?gòu)娜魏我粋€(gè)端口收到，交換機(jī)可將這類數(shù)據(jù)幀丟棄。網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴就是因?yàn)檎也坏侥康牡?，在網(wǎng)絡(luò)中無(wú)限轉(zhuǎn)發(fā)而形成的。在EOE網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)幀最多走一圈，回到發(fā)送的交換機(jī)時(shí)就被丟棄掉了，所以網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴就無(wú)法形成了。

3.2.3 組網(wǎng)“零”配置

根據(jù)多路徑和還回?cái)?shù)據(jù)幀的處理機(jī)制，EOE網(wǎng)絡(luò)不需要做環(huán)網(wǎng)保護(hù)協(xié)議的配置，不用關(guān)閉某一個(gè)或者某一些端口來(lái)保障網(wǎng)絡(luò)環(huán)路。選取路徑以及轉(zhuǎn)發(fā)邏輯由交換機(jī)本身智能學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)調(diào)整。沒有關(guān)閉掉的保護(hù)端口，所有物理鏈路都是可用的，在整個(gè)系統(tǒng)中不再按照一個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)均衡到所有鏈路上，再根據(jù)最優(yōu)狀態(tài)選取路徑，從而達(dá)到整網(wǎng)流量的均衡狀態(tài)，提升網(wǎng)絡(luò)的有效帶寬利用率。當(dāng)然，多路徑的傳輸機(jī)制上，也有相應(yīng)的帶寬優(yōu)化機(jī)制。

對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，無(wú)論多復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都不需要相應(yīng)的保護(hù)配置。大幅降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)成本。

4 EOE的組網(wǎng)能力

通過(guò)對(duì)EOE理論的描述可知，EOE網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涫恰傲闩渲谩保⑶揖邆湔W(wǎng)“零自愈”、多路徑傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。那在二層組網(wǎng)能力上，EOE網(wǎng)絡(luò)具備更出色的優(yōu)點(diǎn)。EOE網(wǎng)絡(luò)支持二層任意拓?fù)?，能夠代替以往的三層拓?fù)?，提升通信效率。圖3列舉了2張典型拓?fù)洹?/p>

EOE網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)能力已經(jīng)不再受到限制，你能想象到的拓?fù)涠伎梢栽贓OE網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架中實(shí)現(xiàn)。組網(wǎng)能力的提升具備非常重要的意義，例如圖3 “梯型拓?fù)洹?，相?dāng)于在現(xiàn)在的環(huán)網(wǎng)上增加幾組交換機(jī)的連線，然而冗余性和安全性將提升巨大，在應(yīng)用領(lǐng)域的價(jià)值也相當(dāng)客觀。如果艦船網(wǎng)絡(luò)能夠按照梯形拓?fù)溥M(jìn)行建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)健壯性極強(qiáng)，在戰(zhàn)斗中，網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理攻擊的抵抗性變強(qiáng)，只要存在一條物理鏈路，船頭到船尾的所有系統(tǒng)的信息通道就是完好的，間接提升艦船的戰(zhàn)斗力。類似的還有高鐵機(jī)車網(wǎng)絡(luò)、化工流程控制網(wǎng)絡(luò)等等。

4 結(jié)論

EOE網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的設(shè)想，旨在解決現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)這一設(shè)備帶來(lái)的限制。所以，在EOE架構(gòu)中兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)是前提，使得現(xiàn)行的終端、系統(tǒng)可以不做更改，直接升級(jí)。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，通過(guò)對(duì)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)原理的優(yōu)化，解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的問題，提升網(wǎng)絡(luò)的冗余性、安全性。EOE網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，根除了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴；數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了多路徑轉(zhuǎn)發(fā)；二層任意組網(wǎng)使得網(wǎng)絡(luò)變成了零配置、零自愈的基礎(chǔ)平臺(tái)，減少多網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、維護(hù)、改造的人力、物力的投入。安全、易用并且兼容現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，一定是未來(lái)工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的新方向。

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