如何構建彈性的工業網絡？

（本文編譯自electronicdesign）

在工業環境中，網絡停機常常會導致代價高昂的延誤、生產損失，甚至可能對員工生命構成潛在危險。這就是為什么彈性在工業以太網交換中至關重要。它使網絡能夠抵御導致停機的故障、錯誤和干擾。

本文將探討一些工業以太網交換中網絡彈性相關的基礎知識，以及實現這一目標的一些關鍵策略和技術，包括如何實施網絡冗余機制以及生成樹協議（STP）。

彈性是指網絡抵御干擾的能力，以便能夠持續在可接受的水平上提供服務。具有彈性的網絡可確保工廠基礎設施和關鍵流程得到高效管理、監控和運行。

即使在最佳運行條件下，要維持一個具有高可用性的彈性網絡也并非易事，而在工業環境中還會出現更多其它的挑戰。可能影響網絡可靠性和性能的風險包括極高的溫度、電氣干擾、意外的網絡中斷以及惡劣的環境條件等。

根據Gartner的估計，制造企業平均每停機一小時就會損失超過30萬美元。其他研究表明，這一估計可能過于保守，實際數字可能是該預估值的兩到三倍。通過在網絡功能中斷時恢復其功能，具有彈性的工業網絡有助于避免停機以及相關的成本損失。

一個具有彈性的網絡基礎設施力求在其運行中實現99.999%的正常運行時間。這也被稱為網絡可用性的“五個九”，這意味著每年大約只有六分鐘的停機時間。只有高度具有彈性的網絡基礎設施才能滿足這樣的要求。

網絡冗余和網絡彈性這兩個概念常被交替使用。然而，網絡冗余只是網絡彈性的一個方面。它是所謂網絡彈性“四個R” 的一部分，即冗余（Redundancy）、穩健性（Robustness）、足智多謀（Resourcefulness）和快速性（Rapidity）。

網絡冗余是指以額外的物理或虛擬硬件、連接的形式保留一份備份的做法。當某個設備或連接出現故障時，另一個設備或連接就會接手其工作，網絡也就能恢復正常運行。如果沒有備份災難恢復計劃或有效的二層冗余機制，要讓系統重新啟動并運行將會困難重重。

一個常被提及的冗余示例是具備主動模式和待機模式的冗余防火墻。這種配置由一個主單元和一個從單元組成。從單元處于待機模式，處于閑置狀態，同時監控著處于活動狀態的主單元的健康狀況。如果從單元檢測到主單元出現故障，它就會從待機模式切換到活動模式。

這種配置的一種變體是將兩個防火墻都設置為活動模式，平均分擔路由和安全策略執行的任務。如果其中一個防火墻出現故障，另一個就能無縫接管其工作，并繼續履行自身的職責。

這就引出了工業以太網交換網絡冗余的概念。對于這種類型的冗余，冗余網絡能夠在交換機到交換機的鏈路出現故障時，通過提供一條替代的數據路徑來保證網絡繼續運行。

為了說明這一點，我們來看一個基本的星型拓撲結構。假設在一個星型網絡中（如圖1所示），一個設備想要向另一個設備發送數據。在這種情況下，它首先會將信息發送到位于星型結構中心的連接網絡設備，即網絡交換機，然后由該交換機將數據傳輸到指定的設備。

提供多條路徑存在一個明顯的缺點，那就是如果位于中心的網絡交換機出現故障，所有與之相連的節點都會失效，并且多個數據中心的用戶都無法參與網絡通信。實際上，單路徑設計導致的一個嚴重后果是，發生任何硬件故障、停電或電纜斷開等情況都會中斷所有類型的網絡通信。

為了克服這些限制并提高冗余性，網絡管理員可以添加網段或額外的工業交換機，或者他們也可以采用另一種拓撲結構，比如網狀拓撲、鏈路聚合和冗余環網等。這里需要特別注意的是，只要計算機通過具有冗余路徑的局域網共享信息，就可能會出現環路問題，并引發廣播風暴。

廣播幀可能會因虛假幀充斥網絡而受阻，從而導致重要的幀無法進入網絡或到達目的地。這類幀的兩個主要來源（但并非僅有這兩個來源）包括，一是惡意的拒絕服務攻擊，二是出現故障的以太網設備。由于以太網設備質量的提升，近年來后一種情況發生得越來越少了。錯誤的配置也可能導致這個問題。

一般來說，廣播幀會通過交換機傳送到所有端口。正如其名，它是一種廣播，會發送給網絡中的所有設備。然而，開啟了廣播風暴防護功能的交換機，在檢測到過多的廣播幀時，會抑制這些幀，阻止它們在整個網絡中傳播。

一旦廣播流量減弱，交換機就會再次允許數據流量通過，它會自行重置。在大多數交換機中，這個功能通常是默認開啟的。有些應用程序可能會因為需要有意進行流量廣播而要求關閉該功能，但這種情況非常罕見。

為了打破環路循環并避免廣播風暴，網絡管理員長期以來一直在使用生成樹協議（STP），這是一種常用的二層協議。生成樹協議通過阻塞所有冗余網絡端口來防止網絡環路的出現。在無環路的網絡中，一個端口被阻塞的設備仍然可以接收數據，但它不會將接收到的數據發送給網絡上的其它設備。

生成樹協議會禁用那些不屬于生成樹上的鏈路，這樣在任意兩個網絡節點之間就只留下一條主路徑和一條活動通道。不過，當網絡確實發生故障時，設備仍能夠在網絡中繼續通信，因為數據可以繞開故障重新進行路由。被選中的端口取決于配置的拓撲結構。

生成樹協議有三個版本：STP（802.1d）、快速生成樹協議（RSTP，802.1w），以及多生成樹協議（MSTP，802.1s）。與STP相比，RSTP的主要優勢在于其收斂時間更短。當網絡拓撲結構發生變化時，RSTP通常能夠在5到10秒內做出反應，而STP則可能需要長達50秒的時間。

MSTP是將STP應用于虛擬局域網（VLAN）的協議。MSTP將一組VLAN映射到一個單一的多生成樹實例中。通過確保在一個MST實例中的任意兩個節點之間僅存在一條活動路徑，從而提高了網絡性能和穩定性。MSTP將一個交換網絡劃分為多個區域，并且每個區域都有多個獨立的生成樹。MSTP不僅有助于網絡的快速收斂，還能讓來自不同VLAN的數據流被分別路由。

以太網網絡中不能存在環路。生成樹協議（如圖2所示）通過禁用其中一條連接來防止環路的產生。如果其中一條正在工作的連接出現故障，生成樹協議將會啟用原本被禁用的鏈路，以便重新恢復網絡連接。

RSTP與STP的不同之處在于，RSTP使用了更快的算法來對鏈路進行阻塞和解除。MSTP作用于VLAN連接而非物理接口連接，這使得它能夠阻塞來自某個已產生環路的單個VLAN的數據，同時讓其它沒有產生環路的VLAN能夠繼續使用該鏈路。

除了生成樹協議（STP）、快速生成樹協議（RSTP）和多生成樹協議（MSTP）之外，還有其他一些彈性協議和技術。其中值得關注的三種技術是以太網環網保護切換（ERPS）、鏈路聚合以及虛擬路由器冗余協議（VRRP）。

國際電信聯盟（ITU-T）的開放標準G.8032以太網環網保護切換（ERPS）協議具有小于50毫秒的網絡恢復時間標準，用于創建一個經過配置以防止環路問題的節點環。當節點排列成環形時，總有一條連接會被阻塞，以防止形成環路。這樣一來，流量可以在環網的兩個方向上流動，但總會在被阻塞的鏈路處停止。

如果環網中的另一條鏈路出現故障，它就會成為被阻塞的鏈路，而之前被阻塞的鏈路則會被開啟。因此，數據傳輸速率可以保持不變，幾乎不會有速度損失。

ERPS環網也可以進行多層連接，以構建更大的網絡架構。即使是在數百英里長的光纖連接中，ERPS的受保護環形結構意味著ping測試不會失敗，連接也將保持穩定。如果你正在構建一個優先考慮快速恢復的新網絡冗余架構，ERPS可能是一個最佳選擇。

同樣，以太網網絡中不能存在環路。ERPS（如圖3所示）和STP一樣，會禁用一條鏈路以消除網絡中的環路。與生成樹協議類似，如果一條正在工作的鏈路出現故障，之前被禁用的鏈路將被重新啟用，從而構建出一個更具彈性的網絡。

雖然STP可以用于類似網狀拓撲的網絡中，通過禁用多條鏈路來防止環路，但ERPS只能在環形拓撲中實施。通過將設計限制為環形，ERPS能夠為網絡提供更快的自愈時間。

鏈路聚合將來自兩個或更多設備的多個獨立以太網鏈路捆綁在一起，使這些鏈路作為一條單一的邏輯鏈路運行。這樣做無需使用生成樹協議（STP）來關閉冗余鏈路。最常見的設備組合是將一臺交換機連接到另一臺交換機、一臺服務器、一個網絡附加存儲設備或一個多端口接入點。

除了優化負載均衡之外，使用鏈路聚合的一個重要原因是為了實現快速且無感知的恢復。一組聚合的端口被稱為鏈路聚合組（LAG）。這些鏈路中的每一條都必須是相同類型的以太網（10/200/1000/10G等），并且配置也必須相同。物理鏈路以雙活或主備模式運行，這意味著如果一條物理鏈路出現故障，另一條鏈路可以接管并恢復之前通過故障鏈路發送的流量轉發任務。

鏈路聚合控制協議（LACP）是一種點對點協議，它在設備（通常是工業交換機）之間創建冗余并增加帶寬。例如，通過兩條鏈路將兩臺以太網交換機連接在一起就會形成一個環路（如圖4所示）。

LACP通過將這兩條鏈路組合成一條邏輯鏈路來避免出現問題，并消除了由環路引起的各種問題。兩條鏈路能夠同時傳輸不同的數據，從而使帶寬翻倍。如果一條鏈路出現故障，另一條鏈路仍然可以傳輸數據。最多可以將八條鏈路捆綁在一起，形成一個單一的LACP連接。

虛擬路由器冗余協議（VRRP）是一種開放標準協議，它通過為網絡服務提供路由器冗余來增強網絡的可靠性。VRRP通過使用物理硬件并創建一個由多個物理路由器組成的虛擬路由器來實現這一點。當數據包從一臺服務器的IP地址發送到虛擬路由器時，優先級最高的工業路由器將充當主路由器。該組中的其他路由器則處于備用模式，隨時準備在主路由器出現故障時接管其工作。

在一個互聯互通的工業世界中，網絡中斷可能會帶來災難性的后果。然而，許多機構仍在使用過時的技術，這可能會阻礙技術發展、增加網絡安全威脅并降低生產效率。對工業網絡進行現代化改造不僅僅是升級過時的技術，還包括提高網絡的彈性。