基于雙活冗余技術的核電廠非安全級數字化儀控系統組網方式研究

陳明虎　趙陽　周玲　熊彥　唐濤

摘 要

核電廠非安全級數字化儀控系統對保證電廠安全、穩定和經濟運行至關重要，其主要實現各個系統全范圍工況的儀表監測數據和控制數據的傳輸、存儲和輸出，而組網方式直接影響儀控平臺性能和可靠性。當前以太網技術在核電廠的應用越來越廣泛，但不管采用何種組網方式，多以CSMA/CD共享介質訪問機制為主，造成了沖突和通信不確定性問題。出于對核電廠安全性的考慮，網絡還必須滿足高可靠性要求，保證通信不中斷。通過對常用網絡拓撲方案的研究以及交換機堆疊和鏈路聚合技術的介紹，提出了基于交換式以太網的雙活冗余組網技術，很好地解決了以太網在非安全級數字化儀控中應用的可靠性和不確定性問題。經過測試驗證，雙活冗余組網可以充分滿足核電廠非安全級儀控系統的功能和性能需求。

關鍵詞

堆疊;鏈路聚合;雙活冗余;無擾切換;負載均衡

中圖分類號： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.037

0 引言

儀器儀表技術的發展極大地推動了儀控系統的發展，傳統的模擬儀表控制系統正逐漸朝著數?；旌虾腿珨底只较蜻M化和發展，數字化技術的核心是網絡通信技術，其對各控制站和服務器間的數據交互起著至關重要的作用[1]，也是未來智能化技術在儀控系統中應用的基礎。以太網憑借價格低廉、開放性好、穩定性好、通信速率高等優勢，已經廣泛應用于商業領域，其在儀控系統中的大規模應用也將是必然趨勢，但基于CSMA/CD協議的應用方式無法保證數據傳輸的實時性和確定性[2]。目前網絡硬件上廣泛采用的交換式以太網技術，避免了網絡上數據幀的沖突，成了以太網工業化應用的基礎。

在核電領域，以太網的普遍應用及網絡高可靠性的要求，相應的組網技術也越來越多，其網絡拓撲結構中比較有代表性的有星型網、環形網和總線型網等。但實際應用時，多考慮網絡的冗余性、多樣性、單一故障、故障安全等原則，對基礎的網絡拓撲進行優化，以達到更高的可靠性和網絡性能。

1 以太網在核電領域研究現狀

隨著核電廠各類電子信息設備及數字化應用的增多，系統各設備間存在大量的數據交互，并且隨著信息采集技術的發展，數據通信也朝著高傳輸率及低延遲率的方向邁進。以太網技術即是一個很好的解決方案。而對于以太網的通信延遲及不確定性問題，出現了各種改進方法[3-4]。這些方法可分為兩類：硬實時方法和軟實時方法。前者通過設計適當的硬件電路，限制節點訪問網絡的時間和速率來減少網絡碰撞和排隊延遲。但與目前廣泛使用的以太網標準相比，這種方法大大提高了節點的硬件成本，不利于推廣。軟實時方法，是指在不增加節點成本的同時，用軟件調度策略對CSMA/CD和BEB機制進行改進。雖然有不少學者提出了以太網的改進協議，但不是增加了現有協議的復雜性，就是使得改進后的協議與現有的協議不再兼容。關于以太網在通信的確定性和沖突等方面的問題，目前使用最廣泛的方法就是通過使用以太網交換技術來解決。在物理連接上，使用基于全雙工通信模式的交換機替代傳統的共享式HUB，構建一個交換式以太網。交換式以太網可以在源端與目的端之間提供快速的點到點連接，使站點獨占帶寬、完成快速實時的通信。

交換式以太網很好地緩解了沖突和通信不確定性問題，同時，還可以通過網絡架構設計來提高網絡的可靠性和實時性，比如組建冗余網絡、端口負載均衡、增加帶寬和減小鏈路冗余倒換時間等。核電廠非安全級儀控系統組網方式一般以環型和冗余星型為主[5]。嶺澳二期非安全級儀控系統采用TXP平臺，網絡采用CSMA/CD共享介質訪問機制，以工業雙絞線或光纖組成環網，系統自帶內置冗余管理器，自動探測數據傳輸鏈路完整性，出現斷點后，在300ms內閉合虛擬斷點，恢復通信。CPR1000項目仍然采用環網的組網形式，但以生成樹方式實現環網容錯，當環網中其中一個設備或鏈路故障，生成樹協議會立即計算出相關設備最優通訊路徑，網絡故障恢復時間小于5ms/節點。而雙星的組網技術，更適用于冗余網絡C/S結構平臺核電項目，其充分利用了交換機背板轉發、協議可選（環網多是私有協議）、端口聚合和系統隔離等優勢，大大減少了總線鏈路上交換機數量;在紅沿河、寧德等核電廠中，主要應用基于城域網的RPR彈性分組環網技術提高網絡可靠性，RPR彈性分組環網應用廣泛，主要原因是其具有較高的環路自愈能力和較強的魯棒性，但兼容性差，不能保證分時復用模式傳輸通道。

2 網絡拓撲方案研究

在核電廠中，環形組網和星型組網方式應用較為普遍，下面將對兩種方案進行具體分析。

2.1 環網方案

環形網絡是使用一個連續的環將每臺設備連接在一起，它能夠保證一臺設備上發送的信號可以被環上其他所有的設備都看到。在簡單的環形網中，環上傳輸的任何信息都必須穿過所有端點，因此，如果環的某一點斷開，環上所有端點間的通信便會終止。這樣將阻礙整個系統進行正常工作。而隨著工業以太網的發展，交換式環網技術應用越來越廣泛，環網中采用交換機進行連接，并利用協議的方式保證環網的正常通訊。通用的以太環網采用簡單的軟件環網技術，如STP、RSTP、MSTP，其故障切換時間最好基本也在秒級。而在工業應用中，通常采用專用的環網協議，由于各廠家協議不開放，也不統一，專用環網協議一般與廠家的交換機綁定，如Hirschmann公司的Hiper Ring環網冗余協議，自愈時間約為50ms;Moxa公司的Turbo Ring協議，在20臺以太網交換機的滿速運行狀態下，故障恢復時間在300ms;浙大中控EPA定義了DRP分布式冗余網絡協議;東土科技開發了環網冗余技術DT-Ring協議族;華為公司提出了快速環網保護協議RRPP等，這些改進或專用的環網協議，故障切換時間基本能保證在毫秒級。

為了進一步提高環網可靠性，也常采用雙環的組網方式。

2.2 星型網方案

星型組網存在中心節點，并用單獨的線路使中心節點與其他各節點相連，相鄰節點之間的通信都要通過中心節點。由于星形網絡比較容易依賴中心節點，中心節點故障會導致網絡癱瘓，為了滿足網絡可靠性要求，主要采用雙星組網方式，對中心節點進行冗余配置，在中心節點故障時，網絡流量進行切換，保證通訊的連續性。冗余星型的組網方式有很多種，如AB雙網、雙歸組網等。

2.3 方案對比

星型組網最大的缺點在于中心節點的失效，但環網正常運行時也退化成鏈式或總線型網絡，環網只是多了一層鏈路冗余保護，所以環網在可靠性上一般要強于星型網;組網時兩種方案采用交換機數量不同，環網使用交換機數量一般多于星型網，但星型網為放射狀敷設電纜，電纜用量增多;實時性上環網一般數據轉發要經過更多的中間節點，相對于星型網差一些;維護性和可擴展性上星型網比環網更加簡單易擴展。

綜上所述，星型網與環形網各有優勢，但星型網絡平臺與拓撲結構是松散關系，平臺是以數據為對象，不受功能和設備限制，相對于廠商私有環網協議與設備綁定的情況更具開放性，更利于組網技術的研究，但星型網的應用就需要特別考慮網絡可靠性和確定性問題。

3 雙活冗余組網相關技術

3.1 交換機堆疊技術

堆疊是指將多臺交換機組合起來共同工作，形成一個堆疊單元，以便在有限的空間內提供盡可能多的端口[6]。交換機堆疊與傳統的級聯方式相比既有聯系又有區別。堆疊可以看作是級聯的一種特殊形式。級聯一般采用普通端口，可以將不同廠家的交換機遠距離進行級聯，但堆疊一般采用專用接口和連接線，支持同一廠家交換機的近距離連接。級聯僅僅是將多臺交換機簡單連接，而堆疊可以將整個堆疊單元作為一臺交換機來使用，同時增加端口密度和系統帶寬。堆疊后的多臺交換機可以統一進行配置管理，簡化網絡拓撲，降低網絡復雜性，縮短應用恢復時間，提高網絡資源利用率。

3.2 鏈路聚合技術

鏈路聚合是指將多個物理端口捆綁在一起，成為一個邏輯端口，聚合在一起的鏈路相互冗余備份，還能實現出/入流量在各成員端口中的負載均衡。當交換機檢測到其中一個成員端口的鏈路發生故障時，就停止在此端口上發送報文，并根據負載均衡策略在剩下鏈路中重新計算報文發送的端口，故障端口恢復后重新計算報文發送端口。鏈路聚合在增加鏈路帶寬、實現鏈路傳輸彈性和冗余等方面是一項很重要的技術[7]。

鏈路聚合有如下優點：

3.2.1 增加網絡帶寬

鏈路聚合可以將多個鏈路捆綁成為一個邏輯鏈路，捆綁后的鏈路帶寬是每個獨立鏈路的帶寬總和。

3.2.2 提高網絡連接的可靠性

鏈路聚合中的多個鏈路互為備份，當有一條鏈路斷開，流量會自動在剩下鏈路間重新分配。

鏈路聚合的方式主要有以下兩種：

a.靜態Trunk

靜態Trunk將多個物理鏈路直接加入Trunk組，即手工負載分擔模式，手工負載分擔模式鏈路聚合是應用比較廣泛的一種鏈路聚合，大多數運營級網絡設備均支持該特性。手工負載分擔模式的Eth-Trunk接口可以聚合不同單板、不同雙工模式的成員接口。

b.動態LACP

LACP（Link Aggregation Control Protocol，鏈路聚合控制協議）是一種實現鏈路動態匯聚的協議。LACP協議通過LACPDU（Link Aggregation Control Protocol Data Unit，鏈路聚合控制協議數據單元）與對端交互信息。

激活某端口的LACP協議后，該端口將通過發送LACPDU向對端通告自己的系統優先級、系統MAC地址、端口優先級和端口號。對端接收到這些信息后，將這些信息與自己的屬性比較，選擇能夠聚合的端口，從而雙方可以對端口加入或退出某個動態聚合組達成一致。

鏈路聚合往往用在兩個重要節點或繁忙節點之間，既能增加互聯帶寬，又提供了連接的可靠性。

4 雙活冗余組網分析

4.1 網絡結構

非安全級儀控系統雙活組網主要通過交換機堆疊技術，將交換機A和交換機B虛擬為邏輯意義上的一臺交換機，所有儀控設備、人機交互設備和服務器分別連接到兩臺交換機上的端口上，并將同一設備分別接入兩臺交換機的端口做鏈路聚合。簡化的雙活冗余架構組網情況如圖1所示。

該組網技術可以在連接交換機A或交換機B的鏈路或交換機本身出現故障時，實現鏈路自動無擾切換，數據傳輸不中斷，有效提高鏈路穩定性，從而保障業務運行的連續性，由于邏輯上為同一臺交換機和鏈路，故網絡負載切換時間可基本忽略不計。同時，雙活冗余組網還能實現網絡流量的負載均衡，提高網絡性能，簡化網絡設備管理等

4.2 功能和性能測試

非安全級儀控系統主要以數據在服務器中的交互為主，完成數據采集和指令下達，故拓撲可簡化為圖2所示。測試采用兩臺華為S5720交換機堆疊，調試計算機和歷史、實時服務器分別與兩臺交換機進行鏈路聚合配置，并加入了一臺以太網測試儀。分別測試了鏈路和交換機冗余功能、吞吐量、時延和丟包率。

鏈路和交換機冗余功能測試時首先利用調試計算機Ping實時服務器和歷史服務器，可以觀測到Ping包得到正常的響應。此時拔掉不同鏈路聚合組中的任一一條鏈路，對Ping包無任何影響，通信正常?；謴偷綀D2拓撲時，任一關掉交換機A或B的電源，通信仍然正常。通過測試可以看出：堆疊和鏈路聚合起到了故障隔離性能，保證了通信不中斷。

吞吐量測試利用以太網測試儀，選擇雙向收發包測試，協議選擇IPv4，進行三層轉發測試，以典型的字節數（64、128、256、512、1024、1280、1518）包測試60秒，結果如圖3。通過測試可以看出：交換機的轉發吞吐率為1000Mbit/s，轉發時延為2us。

端到端時延和丟包率測試以調試計算機到實時服務器為例，測試時通過JPerf軟件加入了872Mbit/s的TCP流量，模擬大流量的數據傳輸環境，并分別以典型的數據包字節數（64、128、256、512、1024、1280、1518）在調試計算機端Ping服務器。在調試計算機上通過Wireshark抓包工具，篩選ICMP報文，觀察request和reply之間的時間差，即可計算出單向延時。單向時延為（reply-request）/2。每種字節數隨機選擇7組觀測數據分別求出平均時延如表1。通過測試可以看出：在一定流量的網絡環境下，雙活冗余組網仍能實現無丟包和低時延數據傳輸。

5 結束語

對測試結果進行分析，可以看出雙活冗余組網技術可以滿足非安全級儀控系統的高可靠性要求，并且可以實現高帶寬、低時延的數據傳輸，在通過相關核安全法規和標準中可靠性與安全性規定驗證后，有望在核電廠數字化儀控系統領域被推廣應用。隨著數字化、智能化技術在儀控系統中的推進，以太網在各工業領域的應用將越來越廣泛，組網技術的研究也將更加深入。

參考文獻

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