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1、引言
有鑒于目前工業(yè)設(shè)計(jì)院和工業(yè)系統(tǒng)集成單位，在為工業(yè)客戶(hù)設(shè)計(jì)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)方案時(shí)，仍然采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所以本文就工業(yè)冗余環(huán)網(wǎng)與民用三層網(wǎng)絡(luò)做了個(gè)比較。
2、工業(yè)化設(shè)計(jì)的冗余環(huán)網(wǎng)
交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延遲小，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)（Store and Forward）是網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域使用得最為廣泛的技術(shù)之一，以太網(wǎng)交換機(jī)的控制器先將輸入端口到來(lái)的數(shù)據(jù)包緩存起來(lái)，先檢查數(shù)據(jù)包是否正確，并過(guò)濾掉沖突包錯(cuò)誤。確定包正確后，取出目的地址，通過(guò)查找表找到想要發(fā)送的輸出端口地址，然后將該包發(fā)送出去。交換機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)由硬件實(shí)現(xiàn),數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延遲為1~2ms
交換機(jī)帶寬高, 100M。
提供冗余鏈路,網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時(shí)間<300ms。在工業(yè)冗余環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里,交換機(jī)不會(huì)立即開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)功能,主交換機(jī)(Local)由手動(dòng)指定,選擇主鏈路和備份鏈路建立一個(gè)指定路徑,由Supreme-Ring協(xié)議自動(dòng)指定。一個(gè)工業(yè)冗余環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)里面只能有一個(gè)主交換機(jī)(Local)。主交換機(jī)(Local)會(huì)定期發(fā)送配置信息，這種配置信息將會(huì)被所有的從交換機(jī)（Remote）發(fā)送。一旦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)將會(huì)重新配置。
當(dāng)指定主交換機(jī)(Local)之后，在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包之前，所有端口都以阻塞方式啟動(dòng)。運(yùn)用Supreme-Ring算法，主交換機(jī)(Local)選擇最低COST值的端口作為主鏈路，另一條COST值高的端口作為備份鏈路。備份鏈路不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，只接收和處理HELLO包，處于熱備（Hot Standby）狀態(tài)。從交換機(jī)（Remote）沒(méi)有主鏈路和備份鏈路的區(qū)別。Supreme-Ring協(xié)議是一種簡(jiǎn)潔高效的冗余協(xié)議，能夠保證環(huán)網(wǎng)在鏈路故障時(shí)，在300ms之內(nèi)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通信。
Supreme-Ring的狀態(tài)：
運(yùn)行Supreme-Ring協(xié)議的交換機(jī)上的端口，總是處于下面四個(gè)狀態(tài)中的一個(gè)：
阻塞：所有端口以阻塞狀態(tài)啟動(dòng)以防止回路，處于阻塞狀態(tài)的端口不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀但可接受HELLO包。
熱備：不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，但學(xué)習(xí)MAC地址表，在主鏈路故障時(shí)，在300ms之內(nèi)，立刻進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
轉(zhuǎn)發(fā)：可以傳送和接受數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)幀。
禁用：通常由于端口故障或交換機(jī)配置錯(cuò)誤引起。
工業(yè)冗余環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)潔高效。
3、三層設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)
路由器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延遲大，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)入路由器，首先查看二層幀，進(jìn)行CRC校驗(yàn)，進(jìn)入緩沖區(qū)，查看路由表，從緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)包目的IP地址與路由表進(jìn)行匹配與運(yùn)算，重新封裝二層幀頭，此時(shí)的二層幀頭的源MAC地址已經(jīng)變?yōu)槁酚善鞒隹诘腗AC地址，從路由器出口轉(zhuǎn)發(fā)。路由器改寫(xiě)二層幀源MAC地址和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)由軟件實(shí)現(xiàn),不同的路由器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延遲差別較大,通常經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器的延遲不少于50ms。
普通路由器帶寬低,只有10M。
能夠提供冗余鏈路,網(wǎng)絡(luò)收斂時(shí)間長(zhǎng)。四種最常見(jiàn)路由協(xié)議是RIP、IGRP、OSPF和EIGRP。在上述幾種域內(nèi)路由算法中，RIP和IGRP的收斂時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，都是分鐘數(shù)量級(jí)的；OSPF要短一些，數(shù)十秒內(nèi)可以收斂；EIGRP最短，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化之后，幾秒鐘即可達(dá)到收斂狀態(tài)。
收斂是路由算法選擇時(shí)所遇到的一個(gè)重要問(wèn)題。收斂時(shí)間是指從網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化到網(wǎng)絡(luò)上所有的相關(guān)路由器都得知這一變化，并且相應(yīng)地做出改變所需要的時(shí)間。這一時(shí)間越短，網(wǎng)絡(luò)變化對(duì)全網(wǎng)的擾動(dòng)就越小。收斂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致路由循環(huán)的出現(xiàn)。
三層設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜繁瑣。
4、結(jié)束語(yǔ)
三層設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)雖然可擴(kuò)展性高，并且在民用領(lǐng)域是事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，但是由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延遲大、帶寬低、網(wǎng)絡(luò)收斂時(shí)間長(zhǎng)、配置與實(shí)施復(fù)雜繁瑣等缺點(diǎn)，并不適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。工業(yè)化設(shè)計(jì)的冗余環(huán)網(wǎng)簡(jiǎn)潔高效是專(zhuān)為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)，帶寬高，低于<300ms的網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時(shí)間，滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求。
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