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1、.工业以太网简介：工业以太网是基于IEEE 802.3 (Ethernet)的强大的区域和单元网络。利用工业以太网，SIMATIC NET 提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。企业内部互联网(Intranet)，外部互联网(Extranet)，以及国际互联网(Internet) 提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后，具有交换功能，全双工和自适应的100M波特率快速以太网(Fast Ethernet，符合IEEE 802.3u 的标准)也已成功运行多年。采用何种性能的以太网取决于用户的需要。通用的兼容性允许用户无缝升
2、级到新技术。为用户带来的利益 ：市场占有率高达80%，以太网毫无疑问是当今LAN(局域网)领域中首屈一指的网络。以太网优越的性能，为您的应用带来巨大的利益： 通过简单的连接方式快速装配。 通过不断的开发提供了持续的兼容性，因而保证了投资的安全。 通过交换技术提供实际上没有限制的通讯性能。 各种各样联网应用，例如办公室环境和生产应用环境的联网。 通过接入WAN(广域网)可实现公司之间的通讯，例如，ISDN 或Internet 的接入。 SIMATIC NET基于经过现场应用验证的技术,SIMATIC NET已供应多于400,000个节点，遍布世界各地，用于严酷的工业环境，包括有高强度电磁干扰的区
3、域。 工业以太网络的构成 ：一个典型的工业以太网络环境，有以下三类网络器件： 网络部件 连接部件： FC 快速连接插座 ELS(工业以太网电气交换机) ESM(工业以太网电气交换机) SM(工业以太网光纤交换机) MC TP11(工业以太网光纤电气转换模块) 通信介质：普通双绞线，工业屏蔽双绞线和光纤 SIMATIC PLC控制器上的工业以太网通讯外理器。用于将SIMATIC PLC连接到工业以太网。 PG/PC 上的工业以太网通讯外理器。用于将PG/PC连接到工业以太网。 工业以太网重要性能：为了应用于严酷的工业环境，确保工业应用的安全可靠，SIMATIC NET 为以太网技术补充了不少重要
4、的性能： 工业以太网技术上与IEEE802.3/802.3u兼容，使用ISO和TCP/IP 通讯协议 10/100M 自适应传输速率 冗余24VDC 供电 简单的机柜导轨安装 方便的构成星型、线型和环型拓扑结构 高速冗余的安全网络，最大网络重构时间为0.3 秒 用于严酷环境的网络元件，通过EMC 测试 通过带有RJ45 技术、工业级的Sub-D 连接技术和安装专用屏蔽电缆的Fast Connect连接技术，确保现场电缆安装工作的快速进行 简单高效的信号装置不断地监视网络元件 符合SNMP(简单的网络管理协议) 可使用基于web 的网络管理 使用VB/VC 或组态软件即可监控管理网络。工业以太网
5、冗余原理1、引言在一个桥接的局域网里，为了增强可靠性，必然要建立一个冗余的路径，网段会用冗余的网桥连接。但是，在一个透明桥桥接的网络里，存在冗余的路径就能建立一个桥回路，桥回路对于一个局域网是致命的。它会带来如下问题：A.广播风暴B.同一帧的多份拷贝C.不稳定的MAC地址表因此，在交换网络中必须有一个机制来阻止回路。2、生成树协议生成树协议就是IT界中常用的机制.生成树协议是一种桥嵌套协议，在IEEE 802.1d规范里定义，可以用来消除桥回路。它的工作原理是这样的：生成树协议定义了一个数据包，叫做桥协议数据单元BPDU（Bridge Protocol Data Unit）。网桥用BPDU来相
6、互通信，并用BPDU的相关机能来动态选择根桥和备份桥。但是因为从中心桥到任何网段只有一个路径存在，所以桥回路被消除。 在一个生成树环境里，桥不会立即开始转发功能，它们必须首先选择一个桥为根桥，然后建立一个指定路径。在一个网络里边拥有最低桥ID的将变成一个根桥，全部的生成树网络里面只有一个根桥。根桥的主要职责是定期发送配置信息，然后这种配置信息将会被所有的指定桥发送。这在生成树网络里面是一种机制，一旦网络结构发生变化，网络状态将会重新配置。 当选定根桥之后，在转发数据包之前，它们必须决定每一个网段的指定桥，运用生成树的这种算法，根桥每隔2秒钟从它所有的端口发送BPDU包，BPDU包被所有的桥从它
7、们的根端口复制过来，根端口是接根桥的那些桥端口。BPDU包括的信息叫做端口的COST，网络管理员分配端口的COST到所有的桥端口，当根桥发送BPDU的时候，根桥设置它的端口值为零。然后沿着这条路径，下一个桥增加它的配置端口COST为一个值，这个值是它接收和转发数据包到下一个网段的值。这样每一个桥都增加它的端口的COST值为它所接收的BPDU的包的COST值，所有的桥都检测它们的端口的COST值，拥有最低端口的COST值的桥就变为了指定的桥。拥有比较高端口COST值的桥置它的端口进入阻塞状态，变为了备份桥。在阻塞状态，一个桥停止了转发，但是它会继续接收和处理BPDU数据包。 IEEE 802.1
8、D规范包括了生成树算法（Spanning Tree Algorithm，STA），这是一种确保转发循环永远不会发生的机制。 STA使用网桥协议数据单元（Bridge Protocol Data Units，BPDU），自动配置网桥上处于转发或阻塞状态的独立端口。BPDU是网桥发送到一个已保存的多播MAC地址（对于以太网，这个地址是01-80-C2-00-00-00）的消息，所有透明网桥都会侦听该地址。在阻塞状态下，端口不会获悉或转发已接收到的帧。STA的最终结果是一个无循环的桥接环境，不管局域网网段拓扑结构是否改变，这个环境总是一直存在。生成树算法,决定了网络链路故障恢复时间,最少不低于15秒
9、。生成树的状态:运行生成树协议的交换机上的端口，总是处于下面五个状态中的一个：阻塞：所有端口以阻塞状态启动以防止回路，由生成树确定哪个端口切换为转发状态，处于阻塞状态的端口不转发数据帧但可接受BPDU。监听：不转发数据帧，但检测BPDU（临时状态）。学习：不转发数据帧，但学习MAC地址表（临时状态）。转发：可以传送和接受数据数据帧。禁用：通常由于端口故障或交换机配置错误引起.3、Supreme-Ring协议Supreme-Ring协议是在工业以太网使用的冗余机制。Supreme-Ring协议和生成树协议有点相似，Supreme-Ring协议也定义了一种数据包，称为HELLO包，又称为WD包（W
10、atch Dog Packets)。交换机之间用HELLO包通信，在主交换机上动态选择主链路和备份链路。但是因为从中心桥到任何网段只有一个路径存在，所以桥回路被消除。在工业冗余环网网络环境里,交换机不会立即开始转发功能,主交换机(Local)由手动指定,选择主链路和备份链路建立一个指定路径,由Supreme-Ring协议自动指定。一个工业冗余环网网络里面只能有一个主交换机(Local)。主交换机(Local)会定期发送配置信息，这种配置信息将会被所有的从交换机（Remote）发送。一旦网络结构发生变化，网络状态将会重新配置。当指定主交换机(Local)之后，在转发数据包之前，所有端口都以阻塞方
11、式启动。运用Supreme-Ring算法，主交换机(Local)选择最低COST值的端口作为主链路，另一条COST值高的端口作为备份链路。备份链路不转发数据，只接收和处理HELLO包，处于热备（Hot Standby）状态。从交换机（Remote）没有主链路和备份链路的区别。Supreme-Ring协议是一种简洁高效的冗余协议，能够保证环网在链路故障时，在300ms之内恢复网络通信。Supreme-Ring的状态：运行Supreme-Ring协议的交换机上的端口，总是处于下面四个状态中的一个：阻塞：所有端口以阻塞状态启动以防止回路，处于阻塞状态的端口不转发数据帧但可接受HELLO包。热备：不转
12、发数据帧，但学习MAC地址表，在主链路故障时，在300ms之内，立刻进入转发状态。转发：可以传送和接受数据数据帧。 禁用：通常由于端口故障或交换机配置错误引起。4、结束语：工业网络环境需要快速反应冗余机制，生成树协议的15秒恢复时间，不能满足工业环境要求。只有采用Supreme-Ring协议才是工业网络环境的最佳冗余机制。IEEE 802.1w和802.1s详解功能强大、可靠的网络需要有效地传输流量，提供冗余和故障快速恢复功能。在第二层网络中，路由协议不可用，生成树协议通过从网格化物理拓扑结构而构建一个无环路逻辑转发拓扑结构，提供了冗余连接，消除了数据流量环路的威胁。原始生成树协议 IEEE
13、802.1D 通常在 50 秒内就可以恢复一个链接故障 融合时?= （ 2xForward_Delay ） +Max_Age 。当设计此协议时，这种停机还是可接受的，但是当前的关键任务应用（如语音和视频）却要求更快速的网络融合。 为加速网络融合并解决与生成树和虚拟 LAN （ VLAN ）交互相关的地址可扩展性限制的问题， IEEE 委员会开发了两种新标准：在 IEEE 802.1w 中定义的快速生成树协议（ RSTP ）和在 IEEE 802.1s 中定义的多生成树协议（ MST ）。 本文介绍了 802.1w 和 802.1s 的主要特性、与传统生成树协议的互操作性，并提供了一些协议移植准
14、则建议。 IEEE 802.1w 快速生成树协议 IEEE 意识到原始 802.1D 生成树协议的融合特性与现代化的交换网络和应用相比是有差距的，为此设计了一种全新的 802.1w 快速生成树协议（ RSTP ），以解决 802.1D 的融合问题。 IEEE 802.1w RSTP 的特点是将许多思科增值生成树扩展特性融入原始 802.1D 中，如 Portfast 、 Uplinkfast 和 Backbonefast 。（浏览这些思科特性的 具体信息 ）通过利用一种主动的网桥到网桥握手机制取代 802.1D 根网桥中定义的计时器功能， IEEE 802.1w 协议提供了交换机（网桥）、交换
15、机端口（网桥端口）或整个 LAN 的快速故障恢复功能。通过将生成树“ hello ”作为本地链接保留的标志， RSTP 改变了拓扑结构的保留方式。这种做法使原始 802.1D fwd-delay 和 max-age 计时器主要成为冗余设备，目前主要用于备份，以保持协议的正常运营。 除了下面章节中列举的新概念外， RSTP 引入了新的 BPDU 处理和新的拓扑结构变更机制。每个网桥每次“ hello time ”都会生成 BPDU ，即使它不从根网桥接收时也是如此。 BPDU 起着网桥间保留信息的作用。如果一个网桥未能从相邻网桥收到 BPDU ，它就会认为已与该网桥失去连接，从而实现更快速的故障检测和融合。 在 RSTP 中，拓扑结构变更只在非边缘端口转入转发状态时发生。丢失连接例如端口转入阻塞状态，不会像 802.1D 一样引起拓扑结构变更。 802.1w 的拓扑结构变更通知（ TCN ）功能不同于 802.1D ，它减少了数据的溢流。在 802.1D 中， TCN 被单播至根网桥，然后组播至所有网桥。 802.1D TCN 的接收使网桥将转发表中的所有内容快速失效，而无论网桥转发拓扑结构是否受到影响。相形之下， RSTP 则通过明确地告知网桥，溢出除了经由 TCN 接收端口了解到的内容外的所有内容，优化了该流程。 TCN 行为的这一改变极大
