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• 關鍵詞： 冗余 工業以太網
• 摘要：由于工業環境對工業控制網絡可靠性能的超高要求，工業以太網的冗余功能應運而生。從快速生成樹冗余(RSTP)、環網冗余（RapidRing）到主干冗余（Trunking），都有各自不同的優勢和特點

報警、串口使用、主干（TrunkingTM）冗余、環網冗余、服務質量（QoS）、虛擬局域網（VLAN）、簡單網絡管理協議（SNMP）、端口鏡像等其他工業以太網管理交換機中可以提供的功能。不同的控制系統對網絡的管理功能要求不同，自然對管理型交換機的使用也有不同要求。控制工程師們應該根據其系統的設計要求，挑選適合自己系統的工業以太網產品。

由于工業環境對工業控制網絡可靠性能的超高要求，工業以太網的冗余功能應運而生。從快速生成樹冗余(RSTP)、環網冗余（RapidRing）到主干冗余（Trunking），都有各自不同的優勢和特點，控制工程師們可以根據自己的要求進行選擇。為了更好地幫助大家了解和學習工業以太網冗余技術的特點，讓我們首先回顧以下以太網設備的發展過程。

集線器

相信絕大多數人都熟悉集線器。很多人使用這種簡易設備去連接各種基于以太網的設備，如個人計算機、可編程控制器等。集線器接收到來自某一端口的消息，再將消息廣播到其他所有的端口。對來自任一端口的每一條消息，集線器都會把它傳遞到其他的各個端口。在消息傳遞方面，集線器是低速低效的，可能會出現消息沖突。然而，集線器的使用非常簡單——實際上可以即插即用。集線器沒有任何華而不實的功能，也沒有冗余功能。

非管理型交換機

集線器的發展產生了一種叫非管理型交換機的設備。它能實現消息從一個端口到另一個端口的路由功能，相對集線器更加智能化。非管理型交換機能自動探測每臺網絡設備的網絡速度。另外，它具有一種稱為“MAC地址表”的功能，能識別和記憶網絡中的設備。換言之，如果端口2收到一條帶有特定識別碼的消息，此后交換機就會將所有具有那種特定識別碼的消息發送到端口2。這種智能避免了消息沖突，提高了傳輸性能，相對集線器是一次巨大的改進。然而，非管理型交換機不能實現任何形式的通信檢測和冗余配置功能。

管理型交換機

以太網連接設備發展的下一代產品是管理型交換機。相對集線器和非管理型交換機，管理型交換機擁有更多更復雜的功能，價格也高出許多——通常是一臺非管理型交換機的3～4倍。管理型交換機提供了更多的功能，通常可以通過基于網絡的接口實現完全配置。它可以自動與網絡設備交互，用戶也可以手動配置每個端口的網速和流量控制。一些老設備可能無法使用自動交互功能，因此手動配置功能是必不可缺的。

絕大多數管理型交換機通常也提供一些高級功能，如用于遠程監視和配置的SNMP（簡單網絡管理協議），用于診斷的端口映射，用于網絡設備成組的VLAN（虛擬局域網），用于確保優先級消息通過的優先級排列功能等。利用管理型交換機，可以組建冗余網絡。使用環形拓撲結構，管理型交換機可以組成環形網絡。每臺管理型交換機能自動判斷最優傳輸路徑和備用路徑，當優先路徑中斷時自動阻斷備用路徑。

管理型冗余交換機

高級的管理型冗余交換機提供了一些特殊的功能，特別是針對有穩定性、安全性方面嚴格要求的冗余系統進行了設計上的優化。構建冗余網絡的主要方式主要有以下幾種，STP、RSTP；環網冗余RapidRing

1.STP及RSTP

STP（Spanning Tree Protocol，生成樹算法，IEEE 802.1D），是一個鏈路層協議，提供路徑冗余和阻止網絡循環發生。它強令備用數據路徑為阻塞（blocked）狀態。如果一條路徑有故障，該拓撲結構能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構。網絡中斷恢復時間為30~60s之間。RSTP（快速生成樹算法，IEEE 802.1w）作為STP的升級，將網絡中斷恢復時間，縮短到1~2s。生成樹算法網絡結構靈活，但也存在恢復速度慢的缺點。

2.環網冗余RapidRing

為了能滿足工業控制網絡實時性強的特點，RapidRing孕育而生。這是在以太網網絡中使用環網提供高速冗余的一種技術。這個技術可以使網絡在中斷后300ms之內自行恢復。并可以通過交換機的出錯繼電連接、狀態顯示燈和SNMP設置等方法來提醒用戶出現的斷網現象。這些都可以幫助診斷環網什么地方出現斷開。

RapidRing也支持兩個連接在一起的環網，使網絡拓樸更為靈活多樣。兩個環通過雙通道連接，這些連接可以是冗余的，避免單個線纜出錯帶來的問題。

3.主干冗余Trunking

將不同交換機的多個端口設置為Trunking主干端口，并建立連接，則這些交換機之間可以形成一個高速的骨干鏈接。不但成倍的提高了骨干鏈接的網絡帶寬，增強了網絡吞吐量，而且還還提供了另外一個功能，即冗余功能。如果網絡中的骨干鏈接產生斷線等問題，那么網絡中的數據會通過剩下的鏈接進行傳遞，保證網絡的通訊正常。Trunking主干網絡采用總線型和星型網絡結構，理論通訊距離可以無限延長。該技術由于采用了硬件偵測及數據平衡的方法，所以使網絡中斷恢復時間達到了新的高度，一般恢復時間在10ms以下。