由于工業(yè)" title="工業(yè)">工業(yè)環(huán)境對工業(yè)控制網(wǎng)絡可靠性能的超高要求，工業(yè)以太網(wǎng)" title="以太網(wǎng)">以太網(wǎng)的冗余功能應運而生。從快速生成樹冗余(RSTP)、環(huán)網(wǎng)冗余(RapidRing)到主干冗余(Trunking)，都有各自不同的優(yōu)勢和特點，控制工程師們可以根據(jù)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(yè)以太網(wǎng)冗余技術的特點，讓我們首先回顧以下以太網(wǎng)設備" title="設備">設備的發(fā)展過程。
圖1：采用STP或RSTP技術通過管理型交換機實現(xiàn)冗余網(wǎng)絡。
集線器
相信絕大多數(shù)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(wǎng)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(xiàn)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。
圖2：用管理型交換機實現(xiàn)RapidRingTM環(huán)網(wǎng)連接，網(wǎng)絡中斷恢復時間小于300ms。非管理型交換機
集線器的發(fā)展產(chǎn)生了一種叫非管理型交換機的設備。它能實現(xiàn)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(wǎng)絡設備的網(wǎng)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(wǎng)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(fā)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(xiàn)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(wǎng)連接設備發(fā)展的下一代產(chǎn)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?？梢酝ㄟ^基于網(wǎng)絡的接口實現(xiàn)完全配置。它可以自動與網(wǎng)絡設備交互，用戶也可以手動配置每個端口的網(wǎng)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(shù)管理型交換機通常也提供一些高級功能，如用于遠程監(jiān)視和配置的SNMP(簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議)，用于診斷的端口映射，用于網(wǎng)絡設備成組的VLAN(虛擬局域網(wǎng))，用于確保優(yōu)先級消息通過的優(yōu)先級排列功能等。利用管理型交換機，可以組建冗余網(wǎng)絡。使用環(huán)形拓撲結(jié)構，管理型交換機可以組成環(huán)形網(wǎng)絡。每臺管理型交換機能自動判斷最優(yōu)傳輸路徑和備用路徑，當優(yōu)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(wěn)定性、安全性方面嚴格要求的冗余系統(tǒng)進行了設計上的優(yōu)化。構建冗余網(wǎng)絡的主要方式主要有以下幾種，STP、RSTP;環(huán)網(wǎng)冗余RapidRing?約癟runking?
1.STP及RSTP
STP(Spanning Tree Protocol，生成樹算法，IEEE 802.1D)，是一個鏈路層協(xié)議，提供路徑冗余和阻止網(wǎng)絡循環(huán)發(fā)生。它強令備用數(shù)據(jù)路徑為阻塞(blocked)狀態(tài)。如果一條路徑有故障，該拓撲結(jié)構能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構。網(wǎng)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(wǎng)絡中斷恢復時間，縮短到1~2s。生成樹算法網(wǎng)絡結(jié)構靈活，但也存在恢復速度慢的缺點。
圖3：用管理型交換機實現(xiàn)主干連接，網(wǎng)絡中斷恢復時間小于10ms。
2.環(huán)網(wǎng)冗余RapidRing
為了能滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡實時性強的特點，RapidRing孕育而生。這是在以太網(wǎng)網(wǎng)絡中使用環(huán)網(wǎng)提供高速冗余的一種技術。這個技術可以使網(wǎng)絡在中斷后300ms之內(nèi)自行恢復。并可以通過交換機的出錯繼電連接、狀態(tài)顯示燈和SNMP設置等方法來提醒用戶出現(xiàn)的斷網(wǎng)現(xiàn)象。這些都可以幫助診斷環(huán)網(wǎng)什么地方出現(xiàn)斷開。
RapidRing也支持兩個連接在一起的環(huán)網(wǎng)，使網(wǎng)絡拓樸更為靈活多樣。兩個環(huán)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(wǎng)絡帶寬，增強了網(wǎng)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(wǎng)絡中的骨干鏈接產(chǎn)生斷線等問題，那么網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)會通過剩下的鏈接進行傳遞，保證網(wǎng)絡的通訊正常。Trunking主干網(wǎng)絡采用總線型和星型網(wǎng)絡結(jié)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(shù)據(jù)平衡的方法，所以使網(wǎng)絡中斷恢復時間達到了新的高度，一般恢復時間在10ms以下。