一種高可用性的冗余工業(yè)實時以太網(wǎng)設(shè)計

1 引言

基于TCP／IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)以其高通信速率和低應(yīng)用成本被大量應(yīng)用到工業(yè)通信中。以太網(wǎng)協(xié)議和TCP／IP協(xié)議本身未定義冗余通信，因此以提高可靠性為目標(biāo)的以太網(wǎng)冗余通信研究受到了極大關(guān)注。以太網(wǎng)高可用性自動化網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IEC CDV 62439提出了“冗余至網(wǎng)絡(luò)"和“冗余至節(jié)點"兩類以太網(wǎng)冗余方案。前一類方案只提供線路和交換機冗余，節(jié)點本身沒有冗余通道。比較典型的應(yīng)用有STP、RSTP和MSTP。它們采用物理環(huán)網(wǎng)連接交換機和網(wǎng)橋。正常工作時阻斷一個方向的通道防止“廣播風(fēng)暴”。故障發(fā)生后，通過啟用阻斷通道實現(xiàn)冗余通信。這類方案實現(xiàn)成本低，但是存在一定的故障恢復(fù)時間，且無法解決因節(jié)點網(wǎng)卡故障引起的通信中斷。后一類方案中的節(jié)點和兩個獨立的冗余以太網(wǎng)連接，節(jié)點同時在兩個網(wǎng)絡(luò)上收發(fā)數(shù)據(jù)，因此能消除網(wǎng)絡(luò)的故障恢復(fù)時間。其典型代表為PRP。PRP節(jié)點上連接冗余以太網(wǎng)的兩個通道具有相同的MAC地址和IP地址。所有報文同時在兩個網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送，接收節(jié)點通過報文時間標(biāo)簽篩選冗余報文。這種方案不可避免地增加了網(wǎng)絡(luò)上報文的數(shù)量，且不能實現(xiàn)精確的時鐘同步。文獻中介紹了一種基于環(huán)網(wǎng)的冗余方案，該方案能同時實現(xiàn)節(jié)點的冗余通信和網(wǎng)絡(luò)的精確時鐘同步。該方案的節(jié)點具有兩個具有數(shù)據(jù)交換功能的以太網(wǎng)接口。節(jié)電通過菊花鏈的形式串接成一個環(huán)網(wǎng)，故障發(fā)生時通過調(diào)整路由表實現(xiàn)冗余通信。采用環(huán)網(wǎng)冗余的ProfiNet把每個通信周期分成IRT部分和Open部分。在IRT部分節(jié)點向環(huán)網(wǎng)的兩個方向同時發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了重要報文零故障恢復(fù)時間的冗余通信。但是當(dāng)多個節(jié)點同時發(fā)生故障時，就會造成環(huán)網(wǎng)的癱瘓。另有文獻介紹的主干冗余方法則極大地利用了網(wǎng)絡(luò)資源，它采用多條獨立的以太網(wǎng)連接兩個節(jié)點，數(shù)據(jù)在各個以太網(wǎng)上分散傳輸。故障發(fā)生后，通過其他通道分擔(dān)故障通道的報文傳輸實現(xiàn)冗余通信，此方案無法消除故障恢復(fù)時間。本文提出了一種新的冗余至節(jié)點的工業(yè)以太網(wǎng)冗余方案，通過在報文中設(shè)計報文時間標(biāo)簽、節(jié)點間互檢生成并實時維護網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)映射表、次要報文在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好時采用雙網(wǎng)分散傳輸?shù)却胧?，可有效降低了網(wǎng)絡(luò)的通信負荷，提高以太網(wǎng)的穩(wěn)定性與可靠性。

2 冗余通信結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

本方案的冗余通信網(wǎng)絡(luò)采用“冗余至節(jié)點"的雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)(如圖1)。每個節(jié)點配備兩個完全獨立的網(wǎng)絡(luò)接口(通訊介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)控制器、驅(qū)動接口等均冗余配置)，構(gòu)成A、B兩個獨立以太網(wǎng)通道。每個接口擁有各自的IP地址，分別與物理上獨立的以太網(wǎng)A網(wǎng)和B網(wǎng)相連。IP地址的第四個字節(jié)與節(jié)點號對應(yīng)(例如，節(jié)點n的A網(wǎng)和B網(wǎng)的IP地址分別為128.128.3.n，128.128.4.n)。當(dāng)其中一個網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，節(jié)點仍可以利用另一個網(wǎng)絡(luò)進行報文收發(fā)，有效提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖1 冗余以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

2.2 節(jié)點網(wǎng)絡(luò)層次模型

網(wǎng)絡(luò)中報文可以在A、B兩個網(wǎng)絡(luò)冗余傳輸也可以獨立分散傳輸。但在應(yīng)用層上必須保證所有報文的端口單一性，因此本文在TCP／IP層和應(yīng)用層之間設(shè)計了冗余處理層，如圖2所示。

發(fā)送方的冗余處理層負責(zé)報文冗余通信方式的選擇，冗余報文的復(fù)制、報文時間標(biāo)簽的添加、傳輸通道的分配，實現(xiàn)了節(jié)點雙網(wǎng)冗余傳輸和雙網(wǎng)分散傳輸?shù)陌l(fā)送。

接收方的冗余處理層負責(zé)報文冗余通信方式的判別、冗余報文的合并、網(wǎng)絡(luò)故障自診斷，實現(xiàn)了節(jié)點雙網(wǎng)冗余傳輸和雙網(wǎng)分散傳輸?shù)慕邮铡?/P>

圖2 通信節(jié)點的結(jié)構(gòu)

2.3 通信報文格式

為區(qū)分冗余報文、非冗余報文以及實現(xiàn)冗余報文的篩選，本方案把以太網(wǎng)報文用戶數(shù)據(jù)區(qū)的前2個字節(jié)定義為報文時間標(biāo)簽(如圖3)。報文時間標(biāo)簽的最高位為“冗余通信”表示冗余通信傳輸方式。低15位為循環(huán)序列碼，標(biāo)識相同傳輸模式下發(fā)往同一目標(biāo)節(jié)點的報文發(fā)送順序。本方案在發(fā)送節(jié)點為每個目標(biāo)節(jié)點、廣播組、多播組各設(shè)計了一個寄存器存放上一次發(fā)送的報文的循環(huán)序列號。通過時間標(biāo)簽相當(dāng)于為兩個節(jié)點的通信傳輸建立了連接。

圖3 冗余以太網(wǎng)報文格式

3 冗余通信的實現(xiàn)

3.1 雙網(wǎng)冗余傳輸處理

利用報文中的時間標(biāo)簽，節(jié)點可以實現(xiàn)零故障恢復(fù)時間的雙以太網(wǎng)冗余通信，其通信過程分為冗余發(fā)送處理和冗余接收處理。

3.1.1 冗余發(fā)送處理機制

發(fā)送節(jié)點的冗余處理層根據(jù)報文的目標(biāo)地址把對應(yīng)寄存器里的循環(huán)序列碼加1，作為新報文的循環(huán)序列碼。新報文同時在A、B兩個網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送。因此當(dāng)一個通道出現(xiàn)故障時，發(fā)送節(jié)點仍能通過另一個通道及時發(fā)送報文，實現(xiàn)了零故障恢復(fù)時間的冗余發(fā)送。

3.1.2 時間優(yōu)先法冗余接收處理機制

雙冗余傳輸模式下，接收方同時接受A、B兩個網(wǎng)絡(luò)上的報文，當(dāng)一個通道出現(xiàn)故障時，接收方仍能通過另一個通道及時接收到報文，實現(xiàn)了零故障恢復(fù)時間的冗余接收。接收節(jié)點通過報文時間標(biāo)簽判斷來自A、B兩個網(wǎng)絡(luò)的報文是否相同。實際應(yīng)用中，冗余報文在A、B兩個網(wǎng)絡(luò)上的到達時間可能存在差別。本方案采用時間優(yōu)先法處理冗余報文的接收，即只接收通過校驗的優(yōu)先到達的報文。

本方案在接收節(jié)點設(shè)計了一組報文時間標(biāo)簽隊列，每個隊列對應(yīng)一個發(fā)送節(jié)點，用于冗余報文的篩選(如圖4)。節(jié)點接收到來自節(jié)點n的校驗正確的新報文后，查詢節(jié)點n的隊列，如果隊列中已經(jīng)有該報文的時間標(biāo)簽存在，節(jié)點丟棄該報文并刪除隊列中該報文的時間標(biāo)簽。否則節(jié)點在隊列中存放報文的時間標(biāo)簽及其到達時間。因此即使從傳輸超前的網(wǎng)絡(luò)中接收的報文校驗失敗，節(jié)點仍有機會從傳輸滯后的網(wǎng)絡(luò)中接收數(shù)據(jù)。與PRP的“滑動丟包窗口”相比采用此方法處理冗余報文增加了報文接收的可靠性。節(jié)點根據(jù)隊列中存放的報文到達時間周期性地清除隊列中超時的報文的時間標(biāo)簽，以確保隊列中的報文時間標(biāo)簽在合理接收范圍內(nèi)。