通過冗余和容錯(cuò)達(dá)到的高可用性是許多工業(yè)網(wǎng)絡(luò)部署的關(guān)鍵部分。一個(gè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)斷開幾分鐘會(huì)帶來很多的不方便，而工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的中斷則可能有災(zāi)難性的后果。增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol）的功能可為局域網(wǎng)的環(huán)型結(jié)構(gòu)增加活力以及提高修復(fù)錯(cuò)誤的速率，而不會(huì)犧牲基于標(biāo)準(zhǔn)的冗余解決方案的利益。  

    在部署冗余的工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，公司主要依靠已經(jīng)開發(fā)的定制系統(tǒng)來適應(yīng)單個(gè)的應(yīng)用。在過去三年中，從運(yùn)行設(shè)備投入生產(chǎn)而獲得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少。已經(jīng)使用多年但代價(jià)昂貴的串行連接協(xié)議和專有解決方案的行業(yè)試圖使標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)適合容錯(cuò)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。標(biāo)準(zhǔn)的靈活性和互操作性的好處是顯而易見的。然而，把設(shè)計(jì)用于更加寬松的辦公室環(huán)境的軟件標(biāo)準(zhǔn)用于嚴(yán)酷工業(yè)現(xiàn)場，這的確是個(gè)挑戰(zhàn)。  

標(biāo)準(zhǔn)軟件  

    IEEE802.1d標(biāo)準(zhǔn)生成樹協(xié)議（STP）幾年前就已經(jīng)能與管理的切換器和網(wǎng)橋一起使用。這種軟件提供一個(gè)機(jī)制，用于解決以冗余的物理連接保持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)局域網(wǎng)的運(yùn)行，它不允許所使用的數(shù)據(jù)包在給定的時(shí)間內(nèi)有多于一條的途徑。生成樹協(xié)議包括于以太網(wǎng)管理的切換器軟件內(nèi)，所有生產(chǎn)以太網(wǎng)管理切換器的主要供應(yīng)商都提供這種軟件，并在市場上已廣泛銷售。  
    而且，通過多年的廣泛使用，已證明STP是可互操作的，使用來自多生產(chǎn)商的產(chǎn)品的商業(yè)系統(tǒng)能以常規(guī)實(shí)現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)STP支持任何形式的冗余組態(tài)：網(wǎng)格型或環(huán)型或組合型。  
    最近，出現(xiàn)了快速生成樹協(xié)議（RSTP）并開始用于一些冗余局域網(wǎng)系統(tǒng)。它被設(shè)計(jì)用于小或中型網(wǎng)格和一些小型環(huán)中，具有比STP更快的出錯(cuò)修復(fù)時(shí)間。一般說來，還沒有現(xiàn)成的RSTP互操作性的經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)樗鼊偝霈F(xiàn)，它的出現(xiàn)使支持它的生產(chǎn)商作了一些專有的修改。  

    生產(chǎn)商有時(shí)為了鼓勵(lì)選擇專有技術(shù)而不贊成使用STP。因?yàn)镾TP沒有生產(chǎn)商的贊助，供其使用的數(shù)據(jù)并不是廣泛可用的，而且培訓(xùn)資料和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)比較局限。  

工業(yè)中的環(huán)型結(jié)構(gòu)  

    環(huán)型拓?fù)涫枪I(yè)應(yīng)用中最實(shí)際和最廣泛的冗余局域網(wǎng)配置。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不實(shí)用而且對(duì)于大區(qū)域范圍的分散式應(yīng)用來說非常昂貴。管理冗余環(huán)有以下三個(gè)選擇：  

    1．與當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)一起使用，即使它們并不是為環(huán)型應(yīng)用而優(yōu)化設(shè)計(jì)的。  

    2．使用生產(chǎn)商專有的用于環(huán)型結(jié)構(gòu)的解決方案，它能提供更快的錯(cuò)誤修復(fù)時(shí)間，但價(jià)格更貴和其實(shí)現(xiàn)的靈活性相對(duì)較少。  

    3．選擇具有特殊環(huán)擴(kuò)展的基于標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，它能加快處理出錯(cuò)，也允許在拓?fù)渲惺褂萌魏螛?biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)產(chǎn)品。  

選擇1，使用STP  

    STP用于冗余局域網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)已超過10年。起初它被設(shè)計(jì)為在10Mbps總線拓?fù)渲兄С质褂脴蚣夹g(shù)的冗余。目前，STP已經(jīng)發(fā)展為用于高速局域網(wǎng)中具有星型拓?fù)涞亩喽丝谇袚Q器中。  

    環(huán)是網(wǎng)狀拓?fù)涞暮唵巫蛹?，這是STP的優(yōu)勢(shì)所在。然而，在一些高端應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)STP執(zhí)行修復(fù)的延遲時(shí)間過長以至難以接受。STP用于大多數(shù)（如果不是所有被以太網(wǎng)管理的切換器）可以在一個(gè)配置中混合和相匹配的切換器。STP被設(shè)計(jì)為支持多種局域網(wǎng)拓?fù)洳⒛芘c集線器和切換器很好地一起工作。  

    STP的弱點(diǎn)寄居于其優(yōu)勢(shì)中：它不是固有的面向環(huán)型結(jié)構(gòu)，而且其復(fù)雜性允許其支持多種拓?fù)洌@樣在一個(gè)相對(duì)簡單的冗余環(huán)其性能就不能充分發(fā)揮。當(dāng)在環(huán)中出現(xiàn)故障時(shí)，很明顯的解決方法就是把中斷的環(huán)看成是兩個(gè)單獨(dú)的串，直到故障修復(fù)為止。由于只有這樣一個(gè)故障修復(fù)方法，因此標(biāo)準(zhǔn)STP收集數(shù)據(jù)以及作出分析所用的時(shí)間是不能被接受的。  

    STP的其他弱點(diǎn)在于：它不能輕易地按比例增加規(guī)模從而控制更大的環(huán)。STP在有冗余沖突的切換器之間傳遞信息時(shí)，如所有的切換器在決策的根切換器的一對(duì)跳點(diǎn)之間，則STP能工作得很好。當(dāng)一個(gè)環(huán)中切換器的數(shù)量達(dá)到十個(gè)，每個(gè)切換器都沿線傳送報(bào)文時(shí)，對(duì)STP而言，這個(gè)環(huán)就難于操作以致不能很好地進(jìn)行報(bào)文處理。  

    對(duì)一個(gè)決策者來說，一個(gè)簡單的環(huán)結(jié)構(gòu)是最好處理的，只需照顧好環(huán)的兩端，環(huán)和環(huán)的結(jié)點(diǎn)符合標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包處理協(xié)議。一般說來，STP的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過于復(fù)雜因而使協(xié)議相對(duì)于簡單的環(huán)來說是大材小用。  

選擇2——專用解決方案

    它們能夠快速有效地處理環(huán)以太網(wǎng)的故障，但是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的專有屬性限制了只能使用單一生產(chǎn)商的設(shè)備包括承擔(dān)其風(fēng)險(xiǎn)。  

選擇3——環(huán)功能增強(qiáng)的STP

    通過開發(fā)一個(gè)建立在STP標(biāo)準(zhǔn)上、更快的、基于環(huán)的故障修復(fù)過程和快速運(yùn)行的安全解決方案始終需要進(jìn)一步的革新，以便今后能夠更好地運(yùn)行。所推薦的解決方案允許多生產(chǎn)商的實(shí)現(xiàn)但仍保持可選擇的方案。一個(gè)可選擇的方案是由GarrettCom’s S-Ring軟件所提供。它目前要求使用Magnum6K可管理的切換器，但通過使用標(biāo)準(zhǔn)的STP狀態(tài)檢測群播包（稱為橋路協(xié)議數(shù)據(jù)單元或BPDU）決定故障的出現(xiàn)。不干擾標(biāo)準(zhǔn)STP的運(yùn)行，就能選擇S-Ring軟件運(yùn)行于一個(gè)支持環(huán)型結(jié)構(gòu)的成對(duì)端口，它減少環(huán)型結(jié)構(gòu)的故障修復(fù)時(shí)間（對(duì)標(biāo)準(zhǔn)STP來說是1.5分鐘至5分鐘），從分鐘降至秒（小于2秒，環(huán)切換器緩沖所允許的時(shí)間）。由于它使用專有環(huán)修復(fù)方法，S-Ring解決方案的速率因而具有競爭力，但是在標(biāo)準(zhǔn)STP基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，允許使用多生產(chǎn)商、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)集線器以及切換器。  

環(huán)計(jì)時(shí)問題  

    以太網(wǎng)開關(guān)記憶MAC地址，從而可將數(shù)據(jù)包切換至其目的端口，一旦它們被激活，就能在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)其地址。如果MAC地址停止激活，幾分鐘后它就退出切換器的存儲(chǔ)器。當(dāng)LAN急需重新組態(tài)時(shí)，這個(gè)延遲退出切換器的存儲(chǔ)地址會(huì)導(dǎo)致問題。當(dāng)中繼器（集線器）沒有存儲(chǔ)器緩沖并因此而不能建立修復(fù)瓶頸時(shí)，切換器中所存儲(chǔ)地址能防止數(shù)據(jù)包通過新的修復(fù)路徑傳送出去，直到地址被清除出切換器的存儲(chǔ)器。  

    如果環(huán)中的切換器能避免以太網(wǎng)的通信報(bào)文移到修復(fù)通信路徑的話，那么具有快速環(huán)修復(fù)的技術(shù)是沒有什么利益。不同的切換器生產(chǎn)商實(shí)施不同的地址緩沖時(shí)效時(shí)間。在多生產(chǎn)商的實(shí)現(xiàn)中，修復(fù)路徑中最慢的時(shí)效時(shí)間將控制環(huán)修復(fù)時(shí)間。當(dāng)計(jì)算冗余環(huán)中修復(fù)時(shí)間的時(shí)候，建立切換器地址緩沖的時(shí)效時(shí)間非常關(guān)鍵。  

    在該公司的mP62邊緣（edge）切換器中，可激活一個(gè)稱為Link-Loss-Learn（LLL）的[專有]特性，它立即排齊地址緩沖器并再次獲得圍繞故障點(diǎn)進(jìn)行路由的MAC地址。這個(gè)過程類似于切換器的初始化，并在毫秒級(jí)的時(shí)間發(fā)生，導(dǎo)致快速的環(huán)修復(fù)。一個(gè)S-Ring的實(shí)現(xiàn)監(jiān)視Link-Loss以及STP BPDU包的故障并且對(duì)首先發(fā)生的那個(gè)故障作出響應(yīng)。在大多數(shù)情況下，偵測Link-Loss（鏈接丟失）的時(shí)間快于兩秒，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，BPDU包可成功地在整個(gè)環(huán)中傳遞。典型的環(huán)修復(fù)時(shí)間（使用S-Ring軟件和Mp62邊緣開關(guān)，在環(huán)端口嵌入LLL特征）小于250毫秒，即使在環(huán)結(jié)構(gòu)中有50個(gè)或更多的Mp62開關(guān)。沒有激活的LLL，mP62開關(guān)的地址緩沖時(shí)效時(shí)間（默認(rèn)值為3分鐘）可能是環(huán)修復(fù)時(shí)間的門限因素。

用于雙重冗余的多環(huán)  

    在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，雙端口PLC要求在LAN中有兩條獨(dú)立的通道而沒有故障的公共點(diǎn)，這樣將運(yùn)行時(shí)間最大化。雖然安裝和運(yùn)行成本非常昂貴，但能夠證明這種冗余系統(tǒng)是合理的，因?yàn)橥C(jī)所付出的代價(jià)也是很高的。  

    環(huán)結(jié)構(gòu)有一個(gè)故障的公共點(diǎn)，這就是環(huán)中頂部的切換器。由于雙重系統(tǒng)要求最大的冗余和運(yùn)行時(shí)間、非單一的故障點(diǎn)以及快速的故障修復(fù)時(shí)間，運(yùn)行于S-Ring軟件由Magnum 6K切換器操作的兩個(gè)環(huán)可提供很好的性能和安全性。  

    決定最佳的雙重冗余解決方案需要一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的關(guān)于冗余介質(zhì)成本的分析、快速響應(yīng)的產(chǎn)品以及技術(shù)上的最佳平衡。然而，基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的互操作平臺(tái)如有STP的以太網(wǎng)能支持雙重冗余環(huán)結(jié)構(gòu)，而且它們能協(xié)調(diào)許多生產(chǎn)商的插座和開關(guān)，知道這些是非常有用的。S-Ring技術(shù)支持的雙重冗余環(huán)結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到小到秒級(jí)的故障修復(fù)時(shí)間，使之能夠用于任何容錯(cuò)冗余LAN的設(shè)計(jì)。  

    一個(gè)真正的基于標(biāo)準(zhǔn)的解決方案是由什么組成？  

    目前有許多可用的解決方案在冗余以太網(wǎng)環(huán)中實(shí)現(xiàn)快速的故障修復(fù)。赫斯曼公司是第一個(gè)通過其Hiper Ring概念來提出環(huán)拓?fù)浼夹g(shù)的。雖然該系統(tǒng)要求在環(huán)中的所有部件為專有元件，局域網(wǎng)典型地在50毫秒或更少的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。  

    在前幾周，Moxa公司宣布了其以太網(wǎng)設(shè)備冗余切換器ED6008，它可以用于建立起恢復(fù)時(shí)間為300毫秒的冗余以太網(wǎng)。雖然沒有提供具體細(xì)節(jié)，但是公司的實(shí)現(xiàn)Turbo環(huán)，并非建立在傳統(tǒng)的生成樹協(xié)議的基礎(chǔ)上。而且也不清楚其它生產(chǎn)商提供的切換器是否能用在Moxa環(huán)中。環(huán)的建立要求將每個(gè)切換器的端口8和相臨切換器的端口7連接起來。  

    雖然GarrettCom的S-Ring在標(biāo)準(zhǔn)的生成樹的修復(fù)時(shí)間方面做了主要的改進(jìn)，但是目前它只能在公司的6K系列管理切換器上運(yùn)行—這與真正基于標(biāo)準(zhǔn)的冗余實(shí)現(xiàn)的概念稍微有些不一致。但是，公司總裁Frank Madren愿意授權(quán)給其它的工業(yè)以太網(wǎng)生產(chǎn)商在他們的產(chǎn)品中使用其軟件，為冗余切換器開創(chuàng)一個(gè)真正開放的市場。  

    GarretCom的英國經(jīng)理Doug Thomposon告訴我們：“目前S-Ring軟件只運(yùn)行于GarrettCom6K系列管理切換器。問題是“是否還有其他人能運(yùn)行這個(gè)軟件？” “任何希望獲得軟件許可證而和我們聯(lián)系的人，在原則上是允許這樣做的。在當(dāng)前的情況下，我們處于過渡階段，冗余環(huán)的解決方案趨向?qū)Ｓ谢２贿h(yuǎn)的未來的某一天，大部分人都不想采取這種方式而寧可使用完整的開放式解決方案。我們剛才所提供的在技術(shù)上能夠做到這點(diǎn)——而且我們并不反對(duì)軟件許可證的做法。  

    18個(gè)月前我們就向所有的客戶明確了我們自己不會(huì)考慮認(rèn)可其他任何人的專有解決方案”他說。  

    最后GarrettCom的總裁Frank Madren說：“冗余以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的真正標(biāo)準(zhǔn)化是非常可能的。我并不期望這樣，但是我們已經(jīng)把這作為一項(xiàng)公司的策略采用而不是排斥它，或者引進(jìn)有沖突的專有技術(shù)。這是有關(guān)S-Ring的。采用標(biāo)準(zhǔn)并在以太網(wǎng)的精神下把它們做的更好。如果其他人也這么做的話，用戶將是贏家，我們都會(huì)相應(yīng)地會(huì)得到更大的市場。”