一種新型工業以太網網絡架構設計

劉志坤 郭呈 王帥兵

摘要：工業以太網是計算機革命帶來的新型基礎設施。工業4.0時代的到來，對工業以太網的拓展能力、集成能力和確定性通訊能力提出了更高的要求。針對傳統的工業以太網在應用中遇到的網絡結構不靈活、廣播風暴風險等問題，從以太網交換機的工作原理出發，設計了一套新型的工業以太網網絡架構，并命名為EOE（Ethernet Over Ethernet）。這種網絡架構兼容傳統的以太網架構和硬件設備，支持靈活多變的拓撲結構，從而為多網融合提供了技術基礎。與此同時，加入了確定性通訊機制，從而確保根除網絡風暴。

關鍵詞：新型工業以太網； 網絡拓撲； 多網融合； 網絡風暴； EOE

中圖分類號：TN915.85 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）30-0037-03

Abstract： Industrial Ethernet is a new infrastructure brought about by the computer revolution. The arrival of the era of industrial 4.0 has put forward higher industrial Ethernet requirements for the expansion capability， integration ability and deterministic communication capability. In view of the problems of inflexible network structure and broadcast storm risk encountered in the application of traditional industrial Ethernet， a new type of industrial Ethernet network architecture is designed. It changed the working principle of Ethernet switch， and named EOE （Ethernet Over Ethernet）. This network architecture is compatible with traditional Ethernet architectures and hardware devices， and supports flexible topology， thus providing a technical foundation for multi network convergence. At the same time， a deterministic communication mechanism is added to ensure the eradication of the network storm.

Key words： new industrial ethernet； network topology； multi network convergence； network storm； EOE

1 引言

1972年Xerox公司開發了基于ALOHA（無線分組廣播網）思想的實驗性局域網絡，傳輸速率達到2.94Mbps，并于次年命名為Ethernet。1990年以太網的10BASE-T標準發布，雙絞線成為以太網的新介質，同年，以太網交換機問世。從此以太網以大家熟知的交換機、雙絞線的方式一直存在到現在。

交換機作為以太網組網必不可少的轉發設備，在網絡中占據著相當重要的地位，其工作原理決定了以太網絡的特點。交換機的工作原理大致如下：

（1）交換機根據收到數據幀中的源MAC地址建立該地址同交換機端口的映射，并將其寫入MAC地址表中。

（2）交換機將數據幀中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表進行比較，以決定由哪個端口進行轉發。

（3）如數據幀中的目的MAC地址不在MAC地址表中，則向所有端口轉發。這一過程稱為泛洪（flood）。

（4）廣播幀和組播幀向所有的端口轉發。

2 傳統工業以太網的應用瓶頸

從交換機的工作原理上我們可以看出，交換機最重要的是MAC地址表，根據設備MAC來決定轉發的方向。而經過哪些交換機，并沒有在交換原理中體現。數據在整個網絡中選取唯一一條路徑轉發到目的交換機的目的端口，當這條路徑故障，此刻的數據幀也就丟失了。

其次，當目的MAC不在MAC表中時，交換機采取泛洪轉發，當交換機自己成環或者網絡中有一些交換機成環時，一些找到不到目的地的數據幀就會在這個環里無限泛洪，直至把所有的帶寬占滿，使正常的數據無法通過交換機，這就是經常提到的網絡風暴。網絡風暴的出現屬于重大網絡事故，其影響范圍廣，破壞性大，一直是網絡建設與維護的噩夢。

環網的形成是網絡風暴的起因，在交換機上當然要做相應的保護、預防的機制。如國際標準協議的生成樹協議、RRPP協議、廠家私有的快速環網倒換協議等。其原理基本一致，如圖1，物理的連接上形成環路，但在軟件層次，其中一臺交換機（主站）的一個端口是關閉的，關閉的端口不能轉發數據。實際上數據在網絡中走的路線仍然是一條鏈型。當網絡中出現鏈路故障時，主站交換機將之前關閉的端口打開，這樣既避免了網絡風暴的形成，又給網絡帶來冗余特性。

從交換機的工作原理以及環網的處理方式上，我們能看出：

（1）數據在網絡中是單一路徑的，任何網絡故障都會導致這唯一一份數據的丟失。環網倒換需要時間，在倒換期間，交換機是不能轉發數據的。一般工業級交換機會有20～30ms的倒換時間。

（2）網絡存在廣播風暴的隱患。

（3）環網需要保護協議進行保護，在復雜拓撲中，配置相當復雜，不具備一定能力的工程師完成不了復雜網絡的保護協議配置。并且，限制了二層拓撲的多樣性，組網到一定復雜度后，保護協議的能力達到瓶頸。

3 新型工業以太網網絡構架設計

針對上述傳統工業以太網的應用弊端，本文從交換設備本身的特性出發，重新定義網絡交換交換設備，從而設計新的網絡架構。

系統設備、終端（比如電腦），網絡是為這些終端傳遞一個信息的載體，網絡中的交換機相對于終端來說是透明的，不存在的。網絡只要保證發送端的數據，到達接收端的數據是一致的就可以，至于在網絡中傳輸過程中是怎么樣的狀態對終端來說是不關心的。

從這個角度，我們賦予交換機等多的轉發原理，去解決發現的問題。以以太網幀結構為基礎，增加傳輸過程中的必要結構封裝，在網絡出口處還原成標準以太網幀結構，這就是我們提出的新型網絡構架的思想來源，命名為Ethernet Over Ethernet（以下簡稱EOE）。EOE的理論是增加交換機的轉發邏輯，但保持網絡入口和出口的標準以太網格式。

3.1 什么是EOE

假如我們將通信看成在公路上開車，傳統的以太網只標記這輛車（網絡設備即源、目的MAC），但EOE網絡將車和路（交換機）都進行了標記。

傳統的交換機只根據源MAC、目的MAC進行轉發，數據是哪個交換機來的，到哪的交換機去，中間經過多少個交換機等路徑信息并沒有在轉發邏輯中。而EOE在源、MAC地址的基礎上，對交換機進行標記。在處理報文的時候，還能判斷出數據幀應該往哪一臺或哪一些交換機轉發，將二維通信上升到三維通信。

3.2 EOE能做什么

3.2.1 數據多路徑

因為每一臺交換機在網絡中都有唯一標識，所有選取路徑成為可能。在轉發數據之前，網絡根據當前的轉發跳數、帶寬情況智能可以選取n條可到達目的交換機的優秀路徑，目前我們開發的模型是選取4條。這4條路徑將終端的唯一數據幀復制成4份相同的數據幀，在4條不同的路徑同時向目的交換機轉發。到達目的交換機后，經過校驗流程，丟棄3分數據或者未到達的數據，向目的終端發送一份數據。如圖2（3條路徑）所示。

當選取的路徑中發生故障時，網絡會自動選取其他優秀的路徑進行補充，直至網絡剩最后一條物理路徑。

這樣的網絡數據的冗余性、安全性更高，數據在網絡中多條路徑上都存在，即使某一條或幾條路徑出現故障，只要有唯一一條物理路徑存在，終端數據到達目的地的數據就是完整的數據。首先，冗余性增加了，環網的冗余性是1，同時2個故障點時，出現孤島網絡。EOE網絡的冗余性大幅增加，遠遠大于環網的冗余性。其次，所有故障，在EOE網絡中是“零自愈”的，即故障發生時，終端沒有感知，不丟幀，終端應用不斷連接。這一屬性在工業或者行業應用中具有重大意義。

3.2.2 根除網絡風暴

既然可以標記交換機，那就可以唯一標記同一臺交換機發出去的每一幀，當每個幀都具備唯一標識后，就可以從根源上解決網絡風暴的問題。當交換機轉發數據幀時，從本身發出去的幀，再從任何一個端口收到，交換機可將這類數據幀丟棄。網絡風暴就是因為找不到目的地，在網絡中無限轉發而形成的。在EOE網絡中，數據幀最多走一圈，回到發送的交換機時就被丟棄掉了，所以網絡風暴就無法形成了。

3.2.3 組網“零”配置

根據多路徑和還回數據幀的處理機制，EOE網絡不需要做環網保護協議的配置，不用關閉某一個或者某一些端口來保障網絡環路。選取路徑以及轉發邏輯由交換機本身智能學習、動態調整。沒有關閉掉的保護端口，所有物理鏈路都是可用的，在整個系統中不再按照一個方向傳輸數據，將數據均衡到所有鏈路上，再根據最優狀態選取路徑，從而達到整網流量的均衡狀態，提升網絡的有效帶寬利用率。當然，多路徑的傳輸機制上，也有相應的帶寬優化機制。

對于用戶來說，無論多復雜的拓撲結構，都不需要相應的保護配置。大幅降低網絡建設的設計、安裝、維護成本。

4 EOE的組網能力

通過對EOE理論的描述可知，EOE網絡的拓撲是“零配置”，并且具備整網“零自愈”、多路徑傳輸的特點。那在二層組網能力上，EOE網絡具備更出色的優點。EOE網絡支持二層任意拓撲，能夠代替以往的三層拓撲，提升通信效率。圖3列舉了2張典型拓撲。

EOE網絡的組網能力已經不再受到限制，你能想象到的拓撲都可以在EOE網絡構架中實現。組網能力的提升具備非常重要的意義，例如圖3 “梯型拓撲”，相當于在現在的環網上增加幾組交換機的連線，然而冗余性和安全性將提升巨大，在應用領域的價值也相當客觀。如果艦船網絡能夠按照梯形拓撲進行建設，網絡健壯性極強，在戰斗中，網絡對物理攻擊的抵抗性變強，只要存在一條物理鏈路，船頭到船尾的所有系統的信息通道就是完好的，間接提升艦船的戰斗力。類似的還有高鐵機車網絡、化工流程控制網絡等等。

4 結論

EOE網絡構架的設想，旨在解決現有工業網絡中交換機這一設備帶來的限制。所以，在EOE架構中兼容標準以太網是前提，使得現行的終端、系統可以不做更改，直接升級。在網絡設備中，通過對交換機轉發原理的優化，解決現有網絡的問題，提升網絡的冗余性、安全性。EOE網絡構架，根除了網絡風暴；數據實現了多路徑轉發；二層任意組網使得網絡變成了零配置、零自愈的基礎平臺，減少多網絡的建設、維護、改造的人力、物力的投入。安全、易用并且兼容現有標準以太網設備的網絡架構，一定是未來工業領域發展的新方向。

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