【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】韌性(彈性)對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，因?yàn)樗梢詭椭圃炱髽I(yè)抵御導(dǎo)致停機(jī)的故障和干擾。
在工業(yè)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)停機(jī)通常會(huì)導(dǎo)致延遲、生產(chǎn)損失，甚至對(duì)員工構(gòu)成潛在危險(xiǎn)。韌性(Resilience)在工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)中至關(guān)重要，因?yàn)樗咕W(wǎng)絡(luò)能夠承受導(dǎo)致停機(jī)的故障和干擾。了解工業(yè)以太網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)韌性的基礎(chǔ)知識(shí)以及實(shí)現(xiàn)它的關(guān)鍵策略和技術(shù)非常重要，包括如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余機(jī)制和生成樹(shù)協(xié)議(STP)。
01 什么是網(wǎng)絡(luò)韌性？
網(wǎng)絡(luò)韌性(Network Resilience)是指網(wǎng)絡(luò)承受干擾的能力，以便它可以繼續(xù)以可接受的水平提供服務(wù)。具有韌性的網(wǎng)絡(luò)可以確保工廠基礎(chǔ)設(shè)施和關(guān)鍵過(guò)程的高效管理、監(jiān)督和運(yùn)營(yíng)。
即使在最佳運(yùn)營(yíng)條件下，也很難維持一個(gè)具有高可用性的韌性網(wǎng)絡(luò)，況且在工業(yè)環(huán)境中還要面臨其它挑戰(zhàn)。可能影響網(wǎng)絡(luò)可靠性和性能的風(fēng)險(xiǎn)，包括高溫、電氣干擾、不可預(yù)見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)中斷和惡劣的環(huán)境條件。
根據(jù)Gartner公司的估計(jì)，制造公司平均每小時(shí)的停機(jī)損失超過(guò)30萬(wàn)美元。其它研究表明，這一估計(jì)可能過(guò)于保守，實(shí)際數(shù)字會(huì)高出兩三倍。在網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，具有韌性的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可以快速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)功能，有助于防止停機(jī)和減少相關(guān)成本。
一個(gè)具有韌性的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，致力于在其運(yùn)營(yíng)中實(shí)現(xiàn)99.999%的正常運(yùn)行時(shí)間。也被稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)可用性的“5個(gè)9”，這意味著每年大約只有6分鐘的停機(jī)時(shí)間。只有具有高度韌性的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施才能滿(mǎn)足這些需求。
▲圖1：以交換機(jī)為中心的星形網(wǎng)絡(luò)。
02 網(wǎng)絡(luò)冗余和網(wǎng)絡(luò)韌性
網(wǎng)絡(luò)冗余和網(wǎng)絡(luò)韌性有時(shí)可以互換使用。然而，網(wǎng)絡(luò)冗余只是網(wǎng)絡(luò)韌性的一個(gè)方面。它是網(wǎng)絡(luò)韌性的所謂“4個(gè)R”的一部分：冗余性、魯棒性、資源性和快速性。
網(wǎng)絡(luò)冗余是以額外的物理或虛擬硬件或鏈接的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)備份的實(shí)踐。如果設(shè)備或鏈接發(fā)生故障，另一個(gè)設(shè)備或鏈接將接管其工作，即可恢復(fù)正常的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。如果沒(méi)有備份災(zāi)難恢復(fù)計(jì)劃或有效的第二層冗余，在將系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，將遇到巨大的困難。
冗余的一個(gè)常見(jiàn)案例是具有主、從模式的冗余防火墻。該配置由主單元和輔助單元組成。輔助單元在待機(jī)模式下處于空閑狀態(tài)，同時(shí)監(jiān)視處于活動(dòng)模式下主單元的運(yùn)行狀況。如果檢測(cè)到活動(dòng)單元發(fā)生故障，輔助單元將從待機(jī)狀態(tài)切換到活動(dòng)狀態(tài)。這種配置的另外一種模式是將兩個(gè)防火墻都設(shè)置為活動(dòng)模式，平等分擔(dān)路由和安全策略執(zhí)行的責(zé)任。如果一方失效，另一方將接管其職責(zé)并履行自己的職責(zé)。
▲圖2：生成樹(shù)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
03 工業(yè)以太網(wǎng)冗余協(xié)議
這就引出了工業(yè)以太網(wǎng)交換網(wǎng)絡(luò)冗余。這種冗余是指在交換機(jī)到交換機(jī)鏈路發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)提供替代數(shù)據(jù)路徑來(lái)維持通訊的能力。
1 星形拓?fù)?/strong>
為了說(shuō)明這一點(diǎn)，考慮一個(gè)基本的星形拓?fù)洹Ｈ绻切尉W(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)設(shè)備想要向另一個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，它首先將信息發(fā)送到星形中心的鏈接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，然后該設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定設(shè)備。
提供多條路徑的缺點(diǎn)是，如果中心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)發(fā)生故障，所有鏈接的節(jié)點(diǎn)都無(wú)法使用，多個(gè)數(shù)據(jù)中心的用戶(hù)無(wú)法參與網(wǎng)絡(luò)通信。單路徑設(shè)計(jì)的后果是任何硬件故障、停電或電纜斷開(kāi)，都會(huì)導(dǎo)致所有網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型的通信中斷。
為了克服這些限制并提高冗余度，網(wǎng)絡(luò)管理員可以添加網(wǎng)段或額外的工業(yè)交換機(jī)，或者使用另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如網(wǎng)狀、鏈路聚合和冗余環(huán)。值得注意的是，每當(dāng)計(jì)算機(jī)通過(guò)具有冗余路徑的局域網(wǎng)共享信息時(shí)，環(huán)路問(wèn)題就會(huì)出現(xiàn)，并導(dǎo)致出現(xiàn)廣播風(fēng)暴。
2 廣播風(fēng)暴
廣播幀可能會(huì)因?yàn)橄蚓W(wǎng)絡(luò)發(fā)布大量的虛假幀，從而導(dǎo)致重要幀無(wú)法進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)或到達(dá)目的地。這類(lèi)幀的兩個(gè)主要來(lái)源是惡意拒絕服務(wù)攻擊或以太網(wǎng)設(shè)備故障。近年來(lái)，隨著以太網(wǎng)設(shè)備質(zhì)量的提高，后者的數(shù)量有所減少。
錯(cuò)誤的配置也可能導(dǎo)致此問(wèn)題。通常，廣播幀通過(guò)交換機(jī)傳遞到所有端口。正如名字所說(shuō)，這是一個(gè)廣播，每個(gè)設(shè)備都能收到。然而，啟動(dòng)廣播風(fēng)暴保護(hù)的交換機(jī)，可以收到所有廣播幀，但會(huì)將其壓制，從而阻止它們?cè)谡麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳播。
一旦廣播流減弱后，交換機(jī)將允許數(shù)據(jù)流再次通過(guò)。它會(huì)自動(dòng)重置。在大多數(shù)交換機(jī)中，這通常是默認(rèn)打開(kāi)的。由于數(shù)據(jù)流是有目的的廣播，某些應(yīng)用可能需要關(guān)閉此功能，但這種情況很少見(jiàn)。
▲圖3: 以太網(wǎng)多環(huán)保護(hù)技術(shù)的案例。
3 生成樹(shù)協(xié)議（STP）
長(zhǎng)期以來(lái)，為了避免形成環(huán)路和廣播風(fēng)暴，網(wǎng)絡(luò)管理員一直在實(shí)施STP，這是一種流行的第2層協(xié)議。STP通過(guò)阻塞所有冗余網(wǎng)絡(luò)的端口，來(lái)防止網(wǎng)絡(luò)環(huán)路的發(fā)生。在無(wú)環(huán)路網(wǎng)絡(luò)中，端口被阻塞的單個(gè)設(shè)備仍將接收數(shù)據(jù)，但不會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的其它設(shè)備。STP禁用不屬于生成樹(shù)的鏈路，在任何兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間只留下一條主路徑和一條活動(dòng)通道。然而，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)確實(shí)發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備能夠繼續(xù)在網(wǎng)絡(luò)上通信，因?yàn)閿?shù)據(jù)可以繞開(kāi)故障設(shè)備重新路由。所選端口取決于配置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
STP協(xié)議有三個(gè)版本：STP(802.1d)、快速生成樹(shù)協(xié)議(RSTP，802.1w)和多生成樹(shù)協(xié)議(MSTP，802.1s)。相較于STP，RSTP的主要優(yōu)勢(shì)在于收斂時(shí)間縮短。當(dāng)拓?fù)涓淖?，RSTP通?？梢栽?到10秒內(nèi)做出反應(yīng)，而STP可能需要50秒。MSTP是STP在虛擬局域網(wǎng)(VLAN)中的應(yīng)用。MSTP將一組VLAN映射到單個(gè)多生成樹(shù)實(shí)例中，通過(guò)確保MST實(shí)例中任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間只存在一條活動(dòng)路徑，從而提高了網(wǎng)絡(luò)性能和穩(wěn)定性。MSTP將交換網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都有多個(gè)獨(dú)立的生成樹(shù)。MSTP不僅促進(jìn)了快速的網(wǎng)絡(luò)融合，還允許來(lái)自不同VLAN的數(shù)據(jù)流分別路由。
生成樹(shù)協(xié)議通過(guò)禁用其中一個(gè)鏈接來(lái)防止形成環(huán)路。如果其中一個(gè)鏈接失敗，生成樹(shù)將啟用最初禁用的鏈接，來(lái)再次提供鏈接。RSTP與STP的不同之處在于，使用更快的算法來(lái)禁用和解鎖鏈路。MSTP工作在VLAN鏈接上，而不是物理接口鏈接上，這允許它阻止來(lái)自現(xiàn)有環(huán)路的單個(gè)VLAN的數(shù)據(jù)，同時(shí)允許非環(huán)路的其它VLAN繼續(xù)使用該鏈路。
04 需要考慮的其它網(wǎng)絡(luò)韌性策略
除了STP、RSTP和MSTP，還有其它幾種韌性協(xié)議和技術(shù)。其中值得注意的是以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)保護(hù)交換(ERPS)、鏈路聚合和虛擬路由器冗余協(xié)議(VRRP)。
1 以太網(wǎng)多環(huán)保護(hù)技術(shù)（ERPS）
開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)ITU-T G.8032 ERPS協(xié)議具有小于50 ms的網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)間，用于創(chuàng)建被配置為防止環(huán)路問(wèn)題的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)排列成環(huán)時(shí)，總會(huì)有一個(gè)鏈接被禁用，以防止實(shí)現(xiàn)環(huán)路。這樣，流量可以在環(huán)周?chē)p向流動(dòng)，但總是停在被阻塞的鏈路上。如果環(huán)中的另一個(gè)鏈路發(fā)生故障，它將成為被阻塞的鏈路，之前被阻塞的鏈接將會(huì)被打開(kāi)，從而允許數(shù)據(jù)流以相同的速率持續(xù)流動(dòng)，幾乎不會(huì)損失速度。
ERPS環(huán)也可以鏈接成多層，以形成更大的堆棧。即使在數(shù)百英里長(zhǎng)的光纖鏈接中，ERPS的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)也意味著ping不會(huì)下降，鏈接將保持穩(wěn)定。如果您正在構(gòu)建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)冗余并優(yōu)先考慮快速恢復(fù)的框架，ERPS可能是最佳選擇。
同樣，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)不能有環(huán)路。與STP一樣，ERPS會(huì)禁用鏈路以在網(wǎng)絡(luò)中打破環(huán)路。與生成樹(shù)協(xié)議一樣，如果工作鏈路發(fā)生故障，之前禁用的鏈路將被重新啟用，從而創(chuàng)建一個(gè)更具彈性的網(wǎng)絡(luò)。雖然STP可以在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中使用，禁用多個(gè)連接以防止環(huán)路，但ERPS只能在環(huán)路中實(shí)現(xiàn)。將設(shè)計(jì)限制在環(huán)路中，ERPS可以為網(wǎng)絡(luò)提供更快的修復(fù)時(shí)間(低于50毫秒)。
▲圖4：鏈路聚合的案例。
2 鏈路聚合
鏈路聚合將來(lái)自?xún)蓚€(gè)或多個(gè)設(shè)備的多個(gè)單獨(dú)的以太網(wǎng)鏈路捆綁在一起，因此這些鏈路充當(dāng)單個(gè)邏輯鏈路。這可以在不使用STP禁用冗余鏈路的情況下完成。將交換機(jī)鏈接到另一個(gè)交換機(jī)、服務(wù)器、鏈接存儲(chǔ)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)或多端口接入點(diǎn)，是最典型的設(shè)備組合。
除了優(yōu)化負(fù)載平衡外，使用鏈路聚合的一個(gè)重要原因是提供快速透明的恢復(fù)。一組被稱(chēng)為鏈路聚合組或LAG的聚合端口，其中的每一條鏈路都必須是相同類(lèi)型的以太網(wǎng)，并且配置相同。物理鏈路在主-主或主-從設(shè)置中運(yùn)行，這意味著如果一個(gè)物理鏈路發(fā)生故障，另一個(gè)可以接管并恢復(fù)之前通過(guò)故障鏈路發(fā)送的流量轉(zhuǎn)發(fā)。
鏈路聚合配置協(xié)議(LACP)是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議，可在設(shè)備(通常是工業(yè)交換機(jī))之間創(chuàng)建冗余和增加帶寬。在上面的案例中，通過(guò)將兩個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)與兩條鏈路鏈接在一起創(chuàng)建一個(gè)環(huán)路。LACP通過(guò)在兩個(gè)鏈路中創(chuàng)建一個(gè)邏輯鏈路來(lái)防止出現(xiàn)問(wèn)題，并消除由環(huán)路引起的問(wèn)題。這兩條鏈路能夠同時(shí)傳輸不同的數(shù)據(jù)，從而使帶寬加倍。如果一條鏈路發(fā)生故障，另一條鏈路仍然可以傳輸數(shù)據(jù)。最多可以將8個(gè)鏈路綁定在一起，形成一個(gè)LACP鏈接。
3 虛擬路由器冗余協(xié)議（VRRP）
VRRP是一種開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，通過(guò)為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供路由器冗余來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。VRRP通過(guò)使用物理硬件并創(chuàng)建由多個(gè)物理路由器組成的虛擬路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)數(shù)據(jù)包從一個(gè)服務(wù)器的IP地址傳遞到虛擬路由器時(shí)，具有最高優(yōu)先級(jí)的工業(yè)路由器充當(dāng)主路由器。該組的其它路由器保持待機(jī)模式，在主路由器發(fā)生故障時(shí)接管路由任務(wù)。
在互聯(lián)的工業(yè)領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)中斷可能是災(zāi)難性的。然而，許多企業(yè)繼續(xù)使用過(guò)時(shí)的技術(shù)，這可能會(huì)阻礙增長(zhǎng)、增加網(wǎng)絡(luò)安全威脅并降低生產(chǎn)效率。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代化不僅僅是升級(jí)過(guò)時(shí)技術(shù)，還包括提高網(wǎng)絡(luò)韌性。(圖片來(lái)源：Antaira Technologies)
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