CN101197747A - 工业实时控制以太网冗余容错网络***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业实时控制以太网冗余容错网络***及方法，包括至少两个控制域，以及与各控制域连接的至少一个公共域，所述每一控制域均采用多点交叉的冗余环网结构，且在交叉点处的核心节点设备均连接到公共域的主用节点设备和备用节点设备。本发明在现有环网冗余技术的基础上又实现了需要对外通信的核心设备冗余，在主用核心交换机发生故障后，工作于备用模式的核心交换机切换为主用模式即可，切换时间非常短。本发明还增加了公用域交换机的双重冗余功能，在公用域与控制域的连接上应用RSTP协议，兼顾了对于快速和简单的要求。本发明在控制域的核心交换机上采用ACL或者交叉VLAN取代专用网桥，减少了设备种类和可能的故障点，降低了延迟。

Description

工业实时控制以太网冗余容错网络***及方法

技术领域

本发明涉及工业自动化实时控制网络的技术领域，具体涉及工业自动化实时控制以太网的冗余容错技术和网络结构快速切换技术。

背景技术

利用工业自动化实时控制以太网，可以在集中控制中心与分布在工业现场各点的设备之间提供以太网数据传输及交换，采用TCP/IP通信协议实现工业自动化实时控制。近几年，随着以太网技术在工业自动化实时控制中得到广泛应用的同时，增强以太网本身的高可靠性，缩短网络的故障切换时间，对工业自动化实时控制有着重要的意义，对工业自动化实时控制所涉及的各个行业，都是一个根本的需求。

传统的工业实时控制以太网冗余容错网络***如图1所示，包括1#控制域、2#控制域和一个公共域。以发电厂的控制***为例，1#控制域可以包括第1套发电***中3大主机(锅炉、蒸汽机、发电机)的控制***，2#控制域可以包括第2套发电***中3大主机的控制***，公共域则包括同时为这两套发电***服务的一些辅助***，如与煤、水、灰、气等相关的控制***。1#和2#控制域之间需要隔离，公共域需要同时与1#、2#控制域进行通信。

从图1可以看出，1#控制域的结构与2#相同，均采用双环网结构，每个环是独立的，两环一主一备，环网中的节点由交换机(这里是以发电厂为例，在其它应用场合可以不是交换机，可以统称为节点设备)构成，交换机进一步与工业实时分散控制处理单元(DPU)100、人机接口站(MMI)102等设备连接在一起，形成一个冗余的工业实时控制网。而公共域也包括一主一备两组交换机(可以有一台或多台交换机)，公用域主备交换机各通过一个专用网桥分别连接到1#和2#控制域的主备环上的一台交换机(以下称为核心交换机)。专用网桥控制1#和2#控制域与公用域之间的信息传递，起到隔离两个控制域信息的作用。即，该网络***中公共域和2个控制域的主用交换机和备用交换机构成两个大的主、备***。

但是，这两个主、备***是独立的，相互之间没有连接。虽然在环网中可以实现单点故障隔离，但这无法满足工业自动化高可靠性的冗余容错的要求。例如，当1#控制域主用的核心交换机(或其链路)出现故障时，则整个主用***不能再被使用，必须切换到备用***，如果此时1#控制域备用***中的核心交换机或者公共域中的备用交换机(或所联线路)也出现故障点，此时虽然公共域的主用交换机可以工作，但却不能建立有效通路，无法实现故障恢复。

普通的以太网冗余切换技术是依赖于RSTP或MSTP协议，采用重建以太网网络传输结构来实现的。采用RSTP协议在有三台交换机的情况下，切换时间大约需要50ms，随着交换机的增多，切换时间会迅速增长为1～3秒。工业实时控制网中的交换机一般较多，假如出现故障点，要在这么长的时间内完成切换，意味着网络会出现大的中断。这在工业级实时控制中是难以接受的。工业级实时控制中，出现故障的网络切换时间应当控制在100ms以内。

再者，由于存在专用网桥这一单独的设备，虽然可以实现隔离调配的功能，但是增加了延迟和可能的故障点。如果专用网桥出现故障将导致控制***瘫痪，最终可能造成严重的工业事故。

因此，如何进一步增强工业实时控制以太网冗余容错网络***的高可靠性、缩短网络的故障切换时间、提高隔离调度的效率和可靠性是急待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种工业实时控制以太网冗余容错网络***及方法，能够满足工业应用的快速切换要求，并提高***的可靠性。

为了解决上述问题，本发明提供一种工业实时控制以太网冗余容错网络***，包括至少一个控制域，以及与各控制域连接的至少一公共域，所述每一控制域均采用多点交叉的冗余环网结构，且在交叉点处的核心节点设备均连接到公共域的主用节点设备和备用节点设备。

进一步地，上述***还可具有以下特点：所述多点交叉的冗余环网结构包括两个环，该两个环具有两个交叉节点。

进一步地，上述***还可具有以下特点：交叉点处的核心节点设备是直接连接到公共域的主用节点设备和备用节点设备，通过访问控制列表ACL或者交叉虚拟局域网VLAN来实现控制域间的信息隔离。

进一步地，上述***还可具有以下特点：所述公共域的主用节点设备与备用节点设备连接，与所述控制域设备一起构成网状拓扑结构，并运用快速生成树协议RSTP协议实现冗余切换。

进一步地，上述***还可具有以下特点：所述多点交叉的冗余环网采用快速环网切换技术、双环冗余技术、高性能冗余环网技术中的任何一种来实现冗余切换。

进一步地，上述***还可具有以下特点：该***包括两个控制域和一个公共域。

本发明还提供了一种工业实时控制以太网冗余容错的方法，包括以下步骤：

(1)构建包括至少一控制域和一公共域的以太网络，将所述控制域与公共域连接，将所述控制域内的节点设备组成多点交叉的冗余环网结构，将交叉点处的核心节点设备均连接到公共域的主用节点设备和备用节点设备；

(2)所述控制域内的节点设备监视网络状态，出现网络故障后，采用快速环网切换技术、双环冗余技术、高性能冗余环网技术中的任何一种重新建立通信通路。

进一步地，所述步骤(1)中，将所述控制域内的节点设备组成多点交叉的冗余环网结构的方法是，将所述控制域内的节点设备组成两个环，该两个环具有两个交叉节点。

进一步地，所述步骤(2)之后还包括步骤(3)：所述交叉点处的核心节点设备通过访问控制列表ACL或者交叉虚拟局域网VLAN隔离控制域间的信息。

进一步地，

所述步骤(1)中还包括，将所述公共域的主用节点设备与备用节点设备连接，与所述控制域设备一起构成网状拓扑结构；

相应的，所述步骤(2)中还包括，所述公共域的设备监测与所述控制域节点设备间的网络状态，出现网络故障时，采用生成树协议RSTP协议重新建立通信通路。

综上所述，本发明的网络***及方法基于快速切换的以太环网冗余切换技术，搭建多点交叉冗余的环网结构，在多个网路链路和多个网络设备出现故障的情况下，通过快速切换保证整个工业控制网络的畅通，快速切换其切换时间应小于100ms，并提供高效可靠的隔离技术。相对于现有的网络***，具有以下明显的优势：

每个控制域交叉点上的两台核心交换机均可以为两个环提供服务，因此工作于主用模式的核心交换机发生单点故障后，将工作于备用模式的核心交换机切换为主用模式即可完成切换，不必切换到备用环上，切换时间非常短。即在现有技术环网冗余的基础上又实现了需要对外通信的核心设备冗余。另外，在需要从主用环和备用环之间的切换时，切换时间也远远小于现有技术中所需的切换时间。

进一步地，每个控制域中的每一核心交换机均连接到公共域的主用交换机和备用交换机，在公共域的主用交换机故障后可以迅速切换到备用交换机，不需要在控制域中进行任何的切换，因此也大大提高了切换速度和工作的可靠性。相当于增加了公用域交换机的双重冗余功能。此外，在这些设备构成的网状拓扑中，由于公用域主备***各只有一台交换机，在公用域与控制域的连接上也可以应用RSTP协议，兼顾了对于快速和简单的要求。

并且，由于在控制域的核心交换机上采用ACL控制列表技术或者交叉VLAN技术取代专用网桥，所以减少了设备种类和可能的故障点，降低了延迟。

附图说明

图1是传统的工业实时控制以太环网拓扑示意图。

图2是本发明一种冗余快速切换网络的拓扑示意图。

具体实施方式

本发明工业实时控制以太网冗余容错网络采用了新的拓扑结构和冗余环网技术。在控制域采用多点交叉的冗余环网结构并应用快速环网切换技术，可以保证切换的时间足够短，满足工业自动化实时控制的要求。同时，每个控制域的两台核心交换机均与公共域的主、备交换机连接，可实现双重的冗余功能。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

为了缩短网络故障切换时间，多个网络设备提供商提供了各种革新性的以太环网技术——包括华为公司的快速环网切换技术(RRPP：Rapid RingProtection Protocol)、研华公司的双环冗余技术(Dual Ring及Couple Ring)、东土电信公司的高性能冗余环网技术(DT-Ring+)等。这些技术专门应用于以太环网的链路层协议，采用多点交叉的冗余环网结构，在以太环网中能够防止数据环路引起的广播风暴。当以太网环上链路或设备故障时，能迅速切换到备份链路或备份设备，保证网络快速恢复。与STP、RSTP、MSTP协议相比，此类技术具有多重链路冗余、拓扑切换速度快的显著优势。

例如，在公开号为CN1812361，公开日为2006年8月2日，发明名称为“快速环网保护方法及***”的中国发明专利申请中，公开了一种环网的快速切换方法，它通过创建快速环网保护域，各节点之间通过端口相连形成环，每个节点包括两个连在环上的端口；主节点将第一端口设为转发模式，第二端口设为阻塞模式；通过访问控制表、转发表项或者虚拟局域网的方式来获知链路故障，虚拟局域网转发数据报文和协议报文；当获知链路故障时，主节点将第二端口设为转发模式，并刷新主节点以及其他节点的转发表，从而实现环网的快速切换。

再例如，在公开号为CN1905490，公开日为2007年1月31日，发明名称为“一种RRPP与局部STP组网故障恢复时防止环路的方法和装置”的中国发明专利申请中，公开了一种在环网快速切换技术的基础上，防止在环网中形成环路的方法。该方法通过临时阻塞故障链路上已经恢复的故障端口，并设置临时阻塞时间，使故障端口处于临时阻塞时不阻塞STP配置报文，当发送检测报文的设备收到自己发送的检测报文后，阻塞检测报文端口，从而防止了在网络中形成环路。

本实施例的冗余快速切换网络拓扑如图2所示，包括1#控制域、2#控制域和一个公共域。在每一控制域中采用多点交叉的冗余环网结构，即具有两个互为主备的由多台交换机连接而成的环，且该两个环在两点(或两点以上)交叉，交叉处的节点为核心交换机。在该冗余环网中可以采用能够实现快速切换的以太环网技术。正常时，交叉点处的核心设备均处于激活状态，一个工作于主用模式，一个工作于备用模式，并且会定时对对方的状态进行检测，一旦发生故障即可实现快速切换。

从图中可以看出，每个控制域的每个核心交换机均与公共域的主用交换机和备用交换机连接，公共域的主用交换机和备用交换机之间也存在连接，共同构成了包括6个节点的网状拓扑结构，实现了公共域交换机冗余功能。本实施例在这种网状拓扑结构中应用RSTP协议，从图2可以看出，在该拓扑中，核心交换机1A0和公共域主用交换机3A0、备用交换机3B0构成了一个由3个节点组成的小环路，其它核心交换机的情况也是如此。这样，在公用域的交换机或线路故障要切换时，只需在该小环路中进行切换计算即可，因此其切换时间只需要50ms左右，可以满足工业实时控制的要求。如果在该结构中再运用上述以太环网技术，会导致核心交换机过于复杂而难以实现。

另外，本实施例中去除了专用网桥，将每一核心交换机直接与公共域的主、备用交换机相连接。为了实现有效隔离两个控制域的目的，在核心交换机上采用访问控制列表(ACL)或者交叉虚拟局域网(VLAN)技术来实现控制域间的有效隔离，采用的控制策略是禁止另一控制域所有的数据进出，允许其它所有数据进出，从而在实现有效隔离的基础上减少了可能的延迟和故障点。

再者，本实施例在与交换机连接的每个控制处理单元上设有两个网卡，两个网卡同时工作，分别与主备环网中的交换机连接，使得环网发生故障切换时不影响控制处理单元的继续通信。

可以看出，本实施例大大提高了工业实时控制以太网冗余容错网络的可靠性和切换速度。下面再以发生多点故障的一些示例来加以说明，请同时参照图2。

如果1#控制域的主用环非核心交换机或其链路发生故障，1#控制域网络结构迅速演变为星型结构，完全不影响数据的通讯。

如果1#控制域主用环的核心交换机或其链路发生故障切换到1#控制域备用链路上，而当前与该1#控制域备用环核心交换机通信的公共域备用交换机也发生故障。此时，可以通过RSTP协议，使1#控制域该备用环的核心交换机与公共域的主用交换机进行通信，实现网络故障的恢复。

总之，按照本拓扑搭建的网络，在出现多种链路或者设备故障的情况下，整个以太环网在极短的时间内快速的建立起备用的传输链路，达到快速冗余切换的目标，并增加了控制域核心交换机和公用域交换机的冗余功能。由于上述技术方案运用，使以太环网的冗余切换恢复时间小于50ms，符合了工业自动化控制对以太网快速冗余切换的要求。

上述阐述只为说明本工业实时控制以太网冗余快速切换网络拓扑的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解其内容并据以实施，并不能以此限制其范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。例如上述实施例中虽然均以交换机作为网络节点，但也可以是工业应用中的任何其它通讯节点设备。

Claims (12)

1.一种工业实时控制以太网冗余容错网络***，包括至少一个控制域，以及与各控制域连接的至少一公共域，其特征在于：所述每一控制域均采用多点交叉的冗余环网结构，且在交叉点处的核心节点设备均连接到公共域的主用节点设备和备用节点设备。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于：

所述多点交叉的冗余环网结构包括两个环，该两个环具有两个交叉节点。

3.如权利要求1或2所述的***，其特征在于：

交叉点处的核心节点设备是直接连接到公共域的主用节点设备和备用节点设备，通过访问控制列表ACL或者交叉虚拟局域网VLAN来实现控制域间的信息隔离。

4.如权利要求1或2所述的***，其特征在于：

所述公共域的主用节点设备与备用节点设备连接，与所述控制域核心节点设备一起构成网状拓扑结构，并运用快速生成树协议实现冗余切换。

5.如权利要求1或2所述的***，其特征在于：

所述多点交叉的冗余环网采用快速环网切换技术、双环冗余技术、高性能冗余环网技术中的任何一种来实现冗余切换。

6.如权利要求1所述的***，其特征在于：该***包括两个控制域和一个公共域。

7.一种工业实时控制以太网冗余容错的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)构建包括至少一控制域和一公共域的以太网络，所述控制域内的节点设备组成多点交叉的冗余环网结构，且交叉点处的核心节点设备均连接到公共域的主用节点设备和备用节点设备；

(2)所述控制域内的节点设备监视网络状态，出现网络故障后，采用切换时间小于100ms的环网冗余技术重新建立通信通路。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述控制域采用的环网冗余技术为快速环网切换技术、双环冗余技术、高性能冗余环网技术中的一种。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

步骤(1)是将所述控制域内的节点设备组成两个环，并使该两个环具有两个交叉节点，在交叉点上设备可与公共域通信的核心节点设备。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述交叉点处的核心节点设备通过访问控制列表ACL或者交叉虚拟局域网VLAN隔离控制域间的信息。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

步骤(a)构建的网络***包括两个控制域和一个公共域。

12.如权利要求7或11所述的方法，其特征在于：

步骤(1)还将所述公共域的主用节点设备与备用节点设备连接，和所述控制域中与公共域通信的核心节点设备一起构成网状拓扑结构，且在该网状拓扑结构上使用快速生成树协议RSTP协议，在出现网络故障时实现切换。

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