信標(biāo)冗余網(wǎng)絡(luò)

1．0概述
        在工業(yè)控制的應(yīng)用中，有一類應(yīng)用需要系統(tǒng)連續(xù)地運(yùn)行，甚至在控制系統(tǒng)組件發(fā)生故障時(shí)。本文描述一個(gè)2層協(xié)議，可用于EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)和終端設(shè)備接口的多重容錯(cuò)。這種容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)高可用性控制系統(tǒng)。比如，它可以結(jié)合傳感器/執(zhí)行器的表決機(jī)制和控制器/執(zhí)行器的熱備機(jī)制實(shí)現(xiàn)高可靠的控制系統(tǒng)。
        容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)有多種方法可以實(shí)現(xiàn)。 一種方法是使用兩個(gè)或者多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)容錯(cuò)設(shè)備對每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有一個(gè)接口。設(shè)備使用診斷信息檢測故障，一旦發(fā)現(xiàn)故障就進(jìn)行從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的切換。這種方法有一個(gè)失效檢測和重新配置的過程，用時(shí)約 20-30秒。另一種方法是使用單一網(wǎng)絡(luò)，但有兩個(gè)或者多個(gè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（如：交換機(jī)）。設(shè)備使用診斷信息檢測故障和中間件路由信息。這種方法在霍尼韋爾的容錯(cuò)以太網(wǎng)中使用，檢測失效、重新配置的用時(shí)為 1秒鐘。然而，這兩種方法都不適合某些實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)，諸如： EtherNet/IP，因?yàn)閼?yīng)用要求網(wǎng)絡(luò)的故障檢測和切換時(shí)間小于 10毫秒。

        本文描述一種新方法，可以適用于 EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)。它基于信標(biāo)冗余協(xié)議或者稱BRP（Beacon Redundancy Protocol）。基于BRP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)可稱為 BRP網(wǎng)絡(luò)。 BRP網(wǎng)絡(luò)基于ISO/IEC 8802 3（以太網(wǎng)）和IEEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)以及冗余基礎(chǔ)架構(gòu)。在BRP網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)切換由終端設(shè)備自己決定。 
        這種技術(shù)有以下的特性：
        ? BRP網(wǎng)絡(luò)可以在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)和終端設(shè)備接口之間實(shí)現(xiàn)多重容錯(cuò)；
        ? BRP協(xié)議可適用于多種網(wǎng)絡(luò)，諸如EtherNet/IP，應(yīng)用要求故障檢測和切換時(shí)間小于10毫秒；
        ? BRP協(xié)議可以用于有10,000個(gè)或更多終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，最遭情況，典型的故障檢測和切換時(shí)間小于或等于10毫秒。 BRP網(wǎng)絡(luò)的快速切換時(shí)間可以滿足控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求；
        ? 在BRP網(wǎng)絡(luò)中，可以連接非容錯(cuò)終端設(shè)備，可以隨時(shí)增加和刪減終端設(shè)備，設(shè)備可以是容錯(cuò)或非容錯(cuò)的，所以在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，它可以是動(dòng)態(tài)變化的；
        ? 在BRP網(wǎng)絡(luò)中，如果需要的話，可以支持IEC 61588（和 IEEE 1588的版本2）時(shí)間同步協(xié)議。
        ? 可以把這種方法擴(kuò)展至吉比特（千兆）以太網(wǎng)和或者N-重冗余的網(wǎng)絡(luò)。
2．0工作原理
        BRP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢悦枥L成兩個(gè)相互連接的頂部交換機(jī)，每個(gè)頭頂?shù)南旅婵梢杂行切?、環(huán)形、或者線形（菊花鏈）的拓?fù)?。圖  1展現(xiàn)了一個(gè)星形BRP網(wǎng)絡(luò)的例子。
        BRP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)可以由商用的、遵從 IEEE 802.1D和 IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的交換機(jī)搭建。交換機(jī)不用支持BRP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)和每層交換機(jī)的個(gè)數(shù)按照應(yīng)用的需要決定。

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    圖1列舉了一個(gè)BRP網(wǎng)絡(luò)的例子，采用 2重冗余的模式。它使用兩套網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施： A和 B（用不同顏色顯示）。使用三層結(jié)構(gòu)甚至都可以構(gòu)成非常大的網(wǎng)絡(luò)。例如，采用交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，八個(gè)標(biāo)準(zhǔn)口和一個(gè)上行口可以建成超過 500個(gè)終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)， 24個(gè)標(biāo)準(zhǔn)口和一個(gè)上行口可以建成超過10,000個(gè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。雖然例子中的交換機(jī)采用對稱布局，但這不是必須。
        頂層的兩個(gè)骨干交換機(jī)相互連接，使用兩根或者多根 IEEE 802.3電纜連接。采用這種方法，通信能力由兩個(gè)或多個(gè)鏈路共同承擔(dān)，一個(gè)鏈路的失效不會(huì)帶來網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。通過這樣的安排，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu) A和B各自形成了單一網(wǎng)絡(luò)。
        BRP網(wǎng)絡(luò)可以連接兩種類型的終端設(shè)備：雙口設(shè)備和單口設(shè)備。能夠完成 BRP功能的雙口終端設(shè)備就是一個(gè)BRP終端設(shè)備。雖然雙口終端設(shè)備有兩個(gè)網(wǎng)口連到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施 A和 B，但它們僅使用一個(gè) MAC地址和一個(gè) IP地址。單口終端設(shè)備也可以連接到BRP網(wǎng)絡(luò)，但它們不支持BRP協(xié)議。 
        在任何給定時(shí)間、給定點(diǎn)， BRP終端設(shè)備會(huì)在它的一個(gè)口進(jìn)行通信，而在另一個(gè)口阻止通信，例外的是接收信標(biāo)幀和失效通知幀。 一個(gè)BRP終端設(shè)備會(huì)連續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)和到達(dá)兩口的信標(biāo)幀。終端設(shè)備是按照分布式的連接，通過對端口從阻止通信到有效通信狀態(tài)的切換，來實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能。在后面的 2.1到 2.5章節(jié)中，還會(huì)舉幾個(gè)例子進(jìn)一步闡述。
        頂層骨干交換機(jī)總是要連接兩個(gè)信標(biāo)設(shè)備，且這兩個(gè)設(shè)備總是有效。這是一種BRP信標(biāo)設(shè)備，執(zhí)行信標(biāo)的發(fā)生和發(fā)送。在網(wǎng)絡(luò)上的信標(biāo)設(shè)備，會(huì)周期地發(fā)送一個(gè)信標(biāo)幀。和一般的BRP終端設(shè)備一樣，在給定時(shí)間，信標(biāo)設(shè)備也是使用一個(gè)口通信，另一個(gè)口阻信，除了失效通知幀。BRP的信標(biāo)都按最高優(yōu)先級(jí)信息在網(wǎng)絡(luò)上傳送，使用IEEE 802.3標(biāo)簽幀。 
        信標(biāo)間隔是一個(gè)可配置的參數(shù)，要根據(jù)特定系統(tǒng)來選擇。比如，對于一個(gè)3層交換機(jī)系統(tǒng)，信標(biāo)間隔為450微秒。這個(gè)時(shí)間是在最遭的情況下，信標(biāo)幀從信標(biāo)設(shè)備到最遠(yuǎn)的終端設(shè)備經(jīng)過延時(shí)也可以到達(dá)的時(shí)間。終端設(shè)備采用一種超時(shí)機(jī)制，即當(dāng)信標(biāo)幀在一個(gè)端口在給定時(shí)間內(nèi)還一直收到時(shí)，這個(gè)端口就要宣布發(fā)生了故障。比如，對于450微秒的信標(biāo)間隔，超時(shí)周期可以定為950微秒。超時(shí)報(bào)警應(yīng)在至少有兩個(gè)信標(biāo)間隔之后再宣布。根據(jù)在一個(gè)端口的檢測故障條件，終端設(shè)備可以切換到另一個(gè)端口。
        商用的以太網(wǎng)交換機(jī)現(xiàn)在可以執(zhí)行多種通信功能，諸如學(xué)習(xí)過濾和多播（IGMP）偵聽。廣播信息通常不受這些功能的影響，并且會(huì)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳播。為了快速實(shí)現(xiàn)重新配置，應(yīng)該屏蔽交換機(jī)的多播過慮功能。多播傳輸就像廣播傳輸一樣對待。
        學(xué)習(xí)和過濾特性會(huì)影響單播包。在終端設(shè)備完成端口重新配置后，交換機(jī)沒有相關(guān)的記憶地址。交換機(jī)要通過學(xué)習(xí)更新它的地址數(shù)據(jù)庫，當(dāng)新端口接收到一個(gè)帶有源MAC地址的信息后，交換機(jī)的學(xué)習(xí)功能會(huì)把該地址存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)一個(gè) BRP終端設(shè)備從有效口切換到 非有效口時(shí)，要做的第一件事是：通過它的新有效口，發(fā)送一個(gè)多播短幀，稱為學(xué)習(xí)更新幀。因?yàn)檫@個(gè)幀發(fā)送到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，交換機(jī)通過它來更新地址數(shù)據(jù)，在快速多播傳送中，完成重新配置。網(wǎng)絡(luò)其他終端設(shè)備對這個(gè)信息不感興趣因而被它們?nèi)拥簟?BR>        圖2表示了BRP的棧結(jié)構(gòu)。它應(yīng)用于 BRP和信標(biāo)終端節(jié)點(diǎn)。

圖 2：BRP棧結(jié)構(gòu) 

        BRP棧包含兩個(gè)相同的ISO/IEC 8802-3端口，這里用端口A和B來識(shí)別， 連接到網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。這些接口帶有MAC子層，遵從 ISO/IEC 8802-3標(biāo)準(zhǔn)。 
        BRP鏈接實(shí)體連續(xù)監(jiān)視兩個(gè)口的連接狀態(tài)。  所有通信僅通過有效端口，另一個(gè)非有效端口阻止所有通信，除了接收信標(biāo)幀。  
        如果連接的有效端口物理層失效，且另一個(gè)端口沒有故障，終端設(shè)備會(huì)把自己從這個(gè)失效口切換到另一個(gè)有效口，鏈接實(shí)體將重新配置端口配置完成之后，所有通信將通過新的有效端口。 
        BRP鏈接實(shí)體還監(jiān)視兩個(gè)口的信標(biāo)幀的到達(dá)情況。當(dāng)一個(gè)信標(biāo)幀在超時(shí)周期里，沒有到達(dá)有效端口，這個(gè)端口就宣布為故障模式。BRP鏈接實(shí)體將重新配置端口，提供其他不是故障模式的端口。重新配置后所有通信將通過新的有效口。 
        下面的章節(jié)將提供不同類型的單一故障舉例，幫助讀者理解BRP終端設(shè)備怎樣處理不同的單一故障。

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2.1 單一故障舉例 1
        圖  3表示了單一故障舉例 1。假設(shè)所有容錯(cuò)終端設(shè)備的端口 1為有效，在故障發(fā)生前， 連接到網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施A 。因?yàn)楣收习l(fā)生在終端設(shè)備的連接位置，它會(huì)馬上被 IEEE 802.3鏈接實(shí)體檢測機(jī)制檢測到，終端設(shè)備將重新配置它的有效端口 1至無效，把無效端口 2切換到有效，從故障出現(xiàn)到切換完成的整個(gè)延時(shí)為10微秒或更少。馬上，這個(gè)終端設(shè)備用新的有效端口2在網(wǎng)絡(luò)上會(huì)發(fā)送多播學(xué)習(xí)更新幀，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)完成學(xué)習(xí)更新。隨后，網(wǎng)絡(luò)通過基礎(chǔ)實(shí)施B進(jìn)行設(shè)備的有效通信而其他容錯(cuò)設(shè)備繼續(xù)通過基礎(chǔ)實(shí)施 A進(jìn)行通信。

圖3： 單個(gè)故障舉例1

2.2 單一故障舉例 2

圖4: 單個(gè)故障舉例2

        圖4表示單一故障舉例 2。在這種場合，故障發(fā)生在交換機(jī)或者在上級(jí)鏈路上。假設(shè)所有容錯(cuò)終端設(shè)備的端口1有效，在故障發(fā)生前連接到網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施 A。如果故障發(fā)生在交換機(jī)，在物理層出現(xiàn)，三個(gè)受影響的下行終端設(shè)備能立刻檢測出來，在10微秒或者更短的周期里重新配置它們的端口。如果故障發(fā)生在交換機(jī)，不出現(xiàn)在物理層，或者故障出現(xiàn)在上級(jí)，三個(gè)受影響的終端設(shè)備在信標(biāo)超時(shí)周期里收不到信標(biāo)幀。因此，這些終端設(shè)備會(huì)在小于1毫秒的時(shí)間里重新配置它們的端口。馬上，通過新的有效端口2， 發(fā)送學(xué)習(xí)更新幀，使網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)學(xué)習(xí)更新。隨后，網(wǎng)絡(luò)會(huì)通過基礎(chǔ)設(shè)施B進(jìn)行設(shè)備的有效通信，而其他容錯(cuò)設(shè)備仍舊通過基礎(chǔ)設(shè)施A進(jìn)行通信。
2.3單一故障舉例 3
        圖5表示單一故障舉例3。在這種情況下，故障發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施A的頂層骨干交換機(jī)或者連接頂層骨干交換機(jī)的一根連接電纜。如果故障發(fā)生在一根連接電纜上，它基本不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。暫時(shí)可能會(huì)丟失一些數(shù)據(jù)包，但系統(tǒng)會(huì)在保持連接的電纜中,繼續(xù)運(yùn)行。

圖5：單個(gè)故障舉例3

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2.4單一故障舉例 4
        圖6表示單一故障舉例4。在這種情況下，故障發(fā)生在骨干交換機(jī)連接信標(biāo)設(shè)備的電纜上或者故障發(fā)生在一個(gè)信標(biāo)設(shè)備上。假設(shè)兩個(gè)信標(biāo)設(shè)備的端口1為有效，出故障前連接到網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施 A。如果故障在連接信標(biāo)設(shè)備的電纜上，它會(huì)立刻會(huì)被設(shè)備的鏈接實(shí)體檢測到，信標(biāo)設(shè)備會(huì)重新配置它的端口。隨后，網(wǎng)絡(luò)會(huì)通過基礎(chǔ)設(shè)施B進(jìn)行信標(biāo)設(shè)備的通信，而其他終端設(shè)備繼續(xù)通過網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施A進(jìn)行通信。需要注意的是，一個(gè)信標(biāo)幀可能在這個(gè)過程中丟失，它不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行。

圖6：單個(gè)故障舉例4

        如果故障發(fā)生在一個(gè)信標(biāo)設(shè)備上，因?yàn)榱硪粋€(gè)信標(biāo)設(shè)備仍然有效，所以系統(tǒng)仍會(huì)繼續(xù)運(yùn)行，沒有任何問題。
2.5多個(gè)故障舉例
        圖7表示一種多點(diǎn)故障的可能性。從這個(gè)討論可以弄清楚，這種情況是怎樣處理的。在重新配置后，一些設(shè)備會(huì)使用基礎(chǔ)設(shè)施A， 而其他設(shè)備使用基礎(chǔ)設(shè)施B。
        結(jié)合多個(gè)單一故障的可能性我們可以觀察到，BRP網(wǎng)絡(luò)可以容錯(cuò)所有的單一故障。要注意的是，一個(gè)2重冗余系統(tǒng)沒有容錯(cuò)兩個(gè)故障的能力，一個(gè)雙故障是發(fā)生在同一個(gè)子樹中的兩個(gè)或者多個(gè)單一故障。為了處理雙故障，需要一種3重或者多重冗余系統(tǒng)。 
        通常，有可能應(yīng)用BRP協(xié)議到 3、4或 N重冗余中。例如實(shí)現(xiàn)3重冗余，終端設(shè)備應(yīng)該提供三個(gè)端口連接到三套基礎(chǔ)設(shè)施中。在頂層的骨干交換機(jī)應(yīng)該連接三個(gè)信標(biāo)設(shè)備，骨干交換機(jī)之間應(yīng)該相互連接，使用網(wǎng)格拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)多個(gè)連接 。諸如一個(gè)3重冗余系統(tǒng)會(huì)容錯(cuò)所有單一故障，所有雙重故障和所有單一和雙重故障的組合。

圖 7：多個(gè)故障舉例

3.0結(jié)論
        BRP協(xié)議適合于EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)。 BRP網(wǎng)絡(luò)可以在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口容忍多個(gè)故障。BRP協(xié)議可以在一萬個(gè)終端設(shè)備或者更大的網(wǎng)絡(luò)中使用，在最遭的情況下，典型的故障檢測和切換時(shí)間等于或者小于 1毫秒。短的切換時(shí)間使得 BRP網(wǎng)絡(luò)可以用于需要實(shí)時(shí)的控制系統(tǒng)。BRP網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)高可靠性控制網(wǎng)絡(luò)。

（轉(zhuǎn)載）