一种新型工业以太网网络架构设计

刘志坤 郭呈 王帅兵

摘要：工业以太网是计算机革命带来的新型基础设施。工业4.0时代的到来，对工业以太网的拓展能力、集成能力和确定性通讯能力提出了更高的要求。针对传统的工业以太网在应用中遇到的网络结构不灵活、广播风暴风险等问题，从以太网交换机的工作原理出发，设计了一套新型的工业以太网网络架构，并命名为EOE（Ethernet Over Ethernet）。这种网络架构兼容传统的以太网架构和硬件设备，支持灵活多变的拓扑结构，从而为多网融合提供了技术基础。与此同时，加入了确定性通讯机制，从而确保根除网络风暴。

关键词：新型工业以太网； 网络拓扑； 多网融合； 网络风暴； EOE

中图分类号：TN915.85 文献标识码：A 文章编号：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公司開发了基于ALOHA（无线分组广播网）思想的实验性局域网络，传输速率达到2.94Mbps，并于次年命名为Ethernet。1990年以太网的10BASE-T标准发布，双绞线成为以太网的新介质，同年，以太网交换机问世。从此以太网以大家熟知的交换机、双绞线的方式一直存在到现在。

交换机作为以太网组网必不可少的转发设备，在网络中占据着相当重要的地位，其工作原理决定了以太网络的特点。交换机的工作原理大致如下：

（1）交换机根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，并将其写入MAC地址表中。

（2）交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，以决定由哪个端口进行转发。

（3）如数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向所有端口转发。这一过程称为泛洪（flood）。

（4）广播帧和组播帧向所有的端口转发。

2 传统工业以太网的应用瓶颈

从交换机的工作原理上我们可以看出，交换机最重要的是MAC地址表，根据设备MAC来决定转发的方向。而经过哪些交换机，并没有在交换原理中体现。数据在整个网络中选取唯一一条路径转发到目的交换机的目的端口，当这条路径故障，此刻的数据帧也就丢失了。

其次，当目的MAC不在MAC表中时，交换机采取泛洪转发，当交换机自己成环或者网络中有一些交换机成环时，一些找到不到目的地的数据帧就会在这个环里无限泛洪，直至把所有的带宽占满，使正常的数据无法通过交换机，这就是经常提到的网络风暴。网络风暴的出现属于重大网络事故，其影响范围广，破坏性大，一直是网络建设与维护的噩梦。

环网的形成是网络风暴的起因，在交换机上当然要做相应的保护、预防的机制。如国际标准协议的生成树协议、RRPP协议、厂家私有的快速环网倒换协议等。其原理基本一致，如图1，物理的连接上形成环路，但在软件层次，其中一台交换机（主站）的一个端口是关闭的，关闭的端口不能转发数据。实际上数据在网络中走的路线仍然是一条链型。当网络中出现链路故障时，主站交换机将之前关闭的端口打开，这样既避免了网络风暴的形成，又给网络带来冗余特性。

从交换机的工作原理以及环网的处理方式上，我们能看出：

（1）数据在网络中是单一路径的，任何网络故障都会导致这唯一一份数据的丢失。环网倒换需要时间，在倒换期间，交换机是不能转发数据的。一般工业级交换机会有20～30ms的倒换时间。

（2）网络存在广播风暴的隐患。

（3）环网需要保护协议进行保护，在复杂拓扑中，配置相当复杂，不具备一定能力的工程师完成不了复杂网络的保护协议配置。并且，限制了二层拓扑的多样性，组网到一定复杂度后，保护协议的能力达到瓶颈。

3 新型工业以太网网络构架设计

针对上述传统工业以太网的应用弊端，本文从交换设备本身的特性出发，重新定义网络交换交换设备，从而设计新的网络架构。

系统设备、终端（比如电脑），网络是为这些终端传递一个信息的载体，网络中的交换机相对于终端来说是透明的，不存在的。网络只要保证发送端的数据，到达接收端的数据是一致的就可以，至于在网络中传输过程中是怎么样的状态对终端来说是不关心的。

从这个角度，我们赋予交换机等多的转发原理，去解决发现的问题。以以太网帧结构为基础，增加传输过程中的必要结构封装，在网络出口处还原成标准以太网帧结构，这就是我们提出的新型网络构架的思想来源，命名为Ethernet Over Ethernet（以下简称EOE）。EOE的理论是增加交换机的转发逻辑，但保持网络入口和出口的标准以太网格式。

3.1 什么是EOE

假如我们将通信看成在公路上开车，传统的以太网只标记这辆车（网络设备即源、目的MAC），但EOE网络将车和路（交换机）都进行了标记。

传统的交换机只根据源MAC、目的MAC进行转发，数据是哪个交换机来的，到哪的交换机去，中间经过多少个交换机等路径信息并没有在转发逻辑中。而EOE在源、MAC地址的基础上，对交换机进行标记。在处理报文的时候，还能判断出数据帧应该往哪一台或哪一些交换机转发，将二维通信上升到三维通信。

3.2 EOE能做什么

3.2.1 数据多路径

因为每一台交换机在网络中都有唯一标识，所有选取路径成为可能。在转发数据之前，网络根据当前的转发跳数、带宽情况智能可以选取n条可到达目的交换机的优秀路径，目前我们开发的模型是选取4条。这4条路径将终端的唯一数据帧复制成4份相同的数据帧，在4条不同的路径同时向目的交换机转发。到达目的交换机后，经过校验流程，丢弃3分数据或者未到达的数据，向目的终端发送一份数据。如图2（3条路径）所示。

当选取的路径中发生故障时，网络会自动选取其他优秀的路径进行补充，直至网络剩最后一条物理路径。

这样的网络数据的冗余性、安全性更高，数据在网络中多条路径上都存在，即使某一条或几条路径出现故障，只要有唯一一条物理路径存在，终端数据到达目的地的数据就是完整的数据。首先，冗余性增加了，环网的冗余性是1，同時2个故障点时，出现孤岛网络。EOE网络的冗余性大幅增加，远远大于环网的冗余性。其次，所有故障，在EOE网络中是“零自愈”的，即故障发生时，终端没有感知，不丢帧，终端应用不断连接。这一属性在工业或者行业应用中具有重大意义。

3.2.2 根除网络风暴

既然可以标记交换机，那就可以唯一标记同一台交换机发出去的每一帧，当每个帧都具备唯一标识后，就可以从根源上解决网络风暴的问题。当交换机转发数据帧时，从本身发出去的帧，再从任何一个端口收到，交换机可将这类数据帧丢弃。网络风暴就是因为找不到目的地，在网络中无限转发而形成的。在EOE网络中，数据帧最多走一圈，回到发送的交换机时就被丢弃掉了，所以网络风暴就无法形成了。

3.2.3 组网“零”配置

根据多路径和还回数据帧的处理机制，EOE网络不需要做环网保护协议的配置，不用关闭某一个或者某一些端口来保障网络环路。选取路径以及转发逻辑由交换机本身智能学习、动态调整。没有关闭掉的保护端口，所有物理链路都是可用的，在整个系统中不再按照一个方向传输数据，将数据均衡到所有链路上，再根据最优状态选取路径，从而达到整网流量的均衡状态，提升网络的有效带宽利用率。当然，多路径的传输机制上，也有相应的带宽优化机制。

对于用户来说，无论多复杂的拓扑结构，都不需要相应的保护配置。大幅降低网络建设的设计、安装、维护成本。

4 EOE的组网能力

通过对EOE理论的描述可知，EOE网络的拓扑是“零配置”，并且具备整网“零自愈”、多路径传输的特点。那在二层组网能力上，EOE网络具备更出色的优点。EOE网络支持二层任意拓扑，能够代替以往的三层拓扑，提升通信效率。图3列举了2张典型拓扑。

EOE网络的组网能力已经不再受到限制，你能想象到的拓扑都可以在EOE网络构架中实现。组网能力的提升具备非常重要的意义，例如图3 “梯型拓扑”，相当于在现在的环网上增加几组交换机的连线，然而冗余性和安全性将提升巨大，在应用领域的价值也相当客观。如果舰船网络能够按照梯形拓扑进行建设，网络健壮性极强，在战斗中，网络对物理攻击的抵抗性变强，只要存在一条物理链路，船头到船尾的所有系统的信息通道就是完好的，间接提升舰船的战斗力。类似的还有高铁机车网络、化工流程控制网络等等。

4 结论

EOE网络构架的设想，旨在解决现有工业网络中交换机这一设备带来的限制。所以，在EOE架构中兼容标准以太网是前提，使得现行的终端、系统可以不做更改，直接升级。在网络设备中，通过对交换机转发原理的优化，解决现有网络的问题，提升网络的冗余性、安全性。EOE网络构架，根除了网络风暴；数据实现了多路径转发；二层任意组网使得网络变成了零配置、零自愈的基础平台，减少多网络的建设、维护、改造的人力、物力的投入。安全、易用并且兼容现有标准以太网设备的网络架构，一定是未来工业领域发展的新方向。

参考文献：

[1] 糜正琨，杨国民.交换技术[M].北京：清华大学出版社，2006：15-18.

[2] 徐皑冬，王宏，邢志浩.工业以太网实时通信技术[J].信息与控制，2005，34（1）：60-64.

[3] 汤朝霞.基于以太网的工业控制网络设计与有实现[D].苏州大学，2009.

[4] 王敏.深入对比三种标准拓扑结构[J].IT与网路，2010（1）：77.

[5] 梁庚.工业测控系统实时以太网现场总线技术[M].北京：中国电力出版社，2013：78-79.

[6] 冯冬芹.实时工业以太网技术[M].北京：科学出版社，2013：18-19.

[7] 庄友军.计算机网网络安全管理[J].电脑知识与技术，2010，6（3）：607-608.

[8] 阳宪惠.工业数据通信与控制网络[M].北京：清华大学出版社，2002：31-37.

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