核电站DCS网络广播风暴故障分析与防范措施

王誉捧

（福建宁德核电有限公司，福建 宁德　355200）

核电站DCS网络广播风暴故障分析与防范措施

王誉捧

（福建宁德核电有限公司，福建 宁德355200）

DCS的网络架构设计方案是核电站控制系统的重要组成部分，网络架构设计不合理或网络协议选取的不恰当，可能导致广播在网段内被大量复制，传播数据帧形成广播风暴，导致网络性能下降，甚至网络瘫痪。结合某核电站DCS网络广播风暴案例进行原因分析，并提出了有效避免网络广播风暴的防范措施，从而保证机组安全稳定运行。

DCS网络；TXP网络架构；网络广播风暴；工厂总线

0　引言

核电站DCS的网络架构设计方案是控制系统的重要组成部分，不同的网络架构将对控制系统产生重要影响。网络架构设计不合理或网络协议选取不恰当，可能导致广播在网段内被大量复制，传播数据帧形成广播风暴，阻塞网络，导致“数据丢失”及出现传递值1变0现象，最终致使主控室监视失去，触发相关逻辑误动作，对机组的安全稳定运行带来极大影响。因此，DCS的网络架构设计方案的选择和实施便成为目前需要认真研究的课题，以下结合某核电站DCS网络广播风暴故障案例进行分析。

1　DCS网络架构简介

某核电站CPR1000项目的非安全级DCS为德国西门子公司的Teleperm XP-2000（以下简称TXP）系统。TXP系统网络架构为双层环形网结构，即由下层工厂总线（Plant bus）和上层终端总线（Terminal bus）组成。

工厂总线和终端总线以相同的网络通信设备——交换机OSM（Optic Switch Module）为基础，依据OSM的RM（Redundancy Manager Mode）功能来实现冗余模式的虚拟环网，实现网络的相对可靠性。此外，工厂总线的各虚拟环网之间都通过分配主、从2个交换机OSM进行连接，来实现网络冗余功能。

根据核电站仪控设备要实现的功能要求，仪控系统划分为以下3个处理层级：

（1） LEVEL 0-I/O层（过程仪表层），即现场各类测量仪表，如温度、压力、流量、液位等传感器；现场执行器，如阀门。

（2） LEVEL 1-过程控制层，由工厂总线（Plant bus）与AS620自动化控制系统相接，用于自动、独立地实现电站控制及保护功能。

（3） LEVEL 2-操作监视层，由终端总线（Terminal bus）与OM690人—机接口系统相接，实现操作员人机对话和对电站设备进行操作、监视。

2　DCS网络广播风暴案例及原因分析

2.1网络广播风暴案例经过

某日，该电站机组调试人员误将工厂总线（Plant bus）虚拟环网上连接4号单元机组（调试中）和8号公用机组主、备交换机之间的通信监视专用线断开，导致主、备交换机接收不到反馈信号，均认为对方故障；标有S标记的备用状态交换机将自己所连的通信链路变为主通信连接，以致4台交换机之间形成实际的物理链路环（见图1中用粗线标出连接的交换机回路）。这导致网络冲突广播发送到所有连接的网络设备上，从而使数据的每一帧都在网络中重复广播，引起了网络广播风暴，形成网络阻塞，并影响到公用机组和相连3号单元机组（正常运营中）之间无法正常传输信号。3号机组主控失去画面监视，引发部分设备的控制条件信号值改变，导致3号机组部分设备停运或自动启动。

2.2网络广播风暴原因分析

经过现场实际调查分析，查询调试操作记录，除去人因失误（工作人员对环网冗余连接特性不熟悉，误断开主、备交换机间的通信监视专用连接线）原因外，最终确定造成网络堵塞的根本原因为：单元机组与公共机组之间网络通信设备形成实际的网络链路环，广播报文被无限复制、转发，引起网络阻塞。这是网络拓扑结构实现不合理所致。

以下对人因失误原因不做详述，只对设备相关的原因进行深入分析，以期解决根本问题。网络拓扑结构不合理主要体现在如下2个方面。

（1） 交换机连接构建的局域网（广播域）未进行划分。单元机组与公共机组通过交换机连接，使所有网络通信设备实际处在一个较大的局域网（广播域）中，从广播风暴产生机理来看，如果其中任意一个通信设备故障而引发广播报文，就会使得局域网内的全部通信设备进行报文转发，造成影响范围太大而不可控。因为交换机是数据链路层设备，其内部有一个MAC地址表，交换机将收到报文的目的MAC地址与MAC地址表中的地址匹配后进行点对点转发，但是地址表中一般不记录广播报文。如果交换机收到的是广播报文，其就会将报文向整个局域网络进行广播，即向除接收端口之外的所有端口转发，从而造成网络广播风暴，占据网络资源，也会使得通信设备收到大量无效报文而导致不能正常工作。

（2） 交换机网络端口速率未进行速率上限限制。为保证交换机进行最大数据吞吐量交换，一般网络端口速率不进行速率上限限制，但当多个输入数据流需要同一个输出端口，如果入口速率大于出口速率，在这个端口就会建立队列。如果没有足够的存储空间，数据包就会被丢弃，对突发数据流更是如此。

3　网络广播风暴防范措施

基于上述对网络广播风暴根本原因的分析，应当在梳理各交换机间数据流量负载基础上，采取以下对应防范措施：

（1） 采取策略协议形成虚拟局域网（VLAN）。VLAN可以把一个物理上的局域网划分成多个逻辑上的局域网，每个VLAN 就是一个广播域。VLAN内的主机间通过传统的以太网通信方式进行报文的交互，而不同VLAN内的主机之间在逻辑上相互隔离。

图1　网络阻塞故障案例示意

一般消除这种网络循环连接带来的网络广播风暴，可以使用STP协议（生成树协议），该协议是根据IEEE协会制定的802.1D标准建立的，用于在局域网中消除数据链路层物理环路的协议。另一种典型的非安全级DCS系统是广利核的HOLLIAS MACS系统，LEVEL 1层采用的即是基于在STP协议基础上衍生的MSTP（多生成树协议）搭建的网络拓扑结构。这种结构比较明显的优势为，通过MSTP多生成树协议形成内嵌的弹性分组环（RPR）环网结构，可将环路网络修剪成为一个无环的树型网络，避免网络广播风暴，同时每个VLAN都可以有自己的生成树，实现网络链路的负载均衡。

（2） 通过网关代替交换机从实体上进行隔离。单元机组与公共机组之间不采用交换机来直接连接，而改用网关连接，通过网关来进行数据转发，实现单元机组服务器与公共机组设备间数据的请求应答。从物理结构上来说，此种连接不会构成环网，且网关是不会转发广播报文的，因此相当于起到了隔离作用，不会在单元机组与公共机组间局部成环而导致广播风暴。

（3） 静态配置虚拟环网。以上2种方法均需更换网络通信硬件，以及选择并配置支持对应策略或处理数据转发的软件算法，改动范围较大。因此也可通过静态配置的方式来对当前设备进行设置，可在一定程度上缩小广播风暴影响范围。例如：在网络设备交换机上所有端口（除了级联端口和光纤环网端口）闭锁广播方式；使用静态MAC地址寻址，使得数据按照既定路径进行转发；对局域网内重要端口网络速度限制在10Mbps等。

目前该电站采用方法（3），在一定程度上抑制了广播风暴的发生，后续未发生因形成实际的物理链路环而导致的网络广播风暴。

而广利核的HOLLIASMACS系统在网络架构设计上采用了上述（1）、（2）2种方法，从目前相关机组应用情况来看，还未出现因广播风暴造成的主控失去画面监视、设备误动作的事件。

4　结束语

通过以上理论分析及实践证明，在进行DCS网络架构设计时，应该在分析数据流量负载基础上进行“多域管理结构”设计，可以根据对象的位置、范围、功能和操作特点等，把整个DCS系统通信网络分成若干相对独立的分系统，一个分系统构成一个域，并且各个域之间可以通过标准的协议或中间件进行数据交换。

这种网络架构可以缩小网络广播风暴影响范围，降低发生概率，在抵制网络广播风暴方面更科学、合理，更符合工业通信网络稳定性高、数据响应及时、处理数据负荷大的要求。

1 张宝龙，魏龙彪，苏本新，等.田湾核电站TXP系统调试与优化［J］.中国仪器仪表，2013，33（3）：51-54.

2 高益，黄俊伟.网络流量控制的分析与设计［J］.北京电子科技学院学报，2008，16（2）：68-69.

3 朱智达，冯小春，林高.无线局域网中STP协议的应用与研究［J］.福建电脑，2010，26（10）：64-65.

2016-01-02；

2016-02-02。

王誉捧（1984-），女，工程师，主要从事核电站仪控设备改造及物项替代相关工作，email：wangyupeng2@cgnpc.com.cn。