工廠的生產(chǎn)工藝對(duì)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)提出了高可用性的要求，為此，國際電工委員會(huì)制定了IEC62439國際標(biāo)準(zhǔn)。本文通過用高可用性網(wǎng)絡(luò)的基本概念和幾種高可用性網(wǎng)絡(luò)的工作原理，對(duì)高可用性網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)做簡要介紹，希望能對(duì)讀者有所裨益。

1.高可用自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的概念

1.1網(wǎng)絡(luò)失效的恢復(fù)

        工廠要依靠自動(dòng)化系統(tǒng)的正常運(yùn)行。工廠僅能容忍自動(dòng)化系統(tǒng)短時(shí)的失效，這個(gè)時(shí)間被稱為容許時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時(shí)間應(yīng)該小于這個(gè)容許時(shí)間，在工廠回到正常運(yùn)行狀態(tài)之前，應(yīng)用必須要執(zhí)行額外的任務(wù)（與協(xié)議、數(shù)據(jù)處理、下一個(gè)通信周期的等待相關(guān)）。應(yīng)用可以按他們的容許時(shí)間進(jìn)行分類，見表1。

表1 ――應(yīng)用容許的時(shí)間

        當(dāng)有些工廠需要連續(xù)運(yùn)行時(shí)，要求就會(huì)更加嚴(yán)格，不許有停機(jī)時(shí)間，只能在大修時(shí)間段進(jìn)行維護(hù)和再配置。在這種情況下，容許時(shí)間就是這個(gè)嚴(yán)格要求，比如，這就規(guī)定了設(shè)備部件的熱切換的時(shí)間。

        自動(dòng)化系統(tǒng)可以用不同的冗余方法來解決失效問題。方法的不同在于怎樣進(jìn)行冗余, 但他們的關(guān)鍵性能要素都是恢復(fù)時(shí)間，比如，在中斷發(fā)生后恢復(fù)運(yùn)行所需的時(shí)間。如果恢復(fù)時(shí)間超過了工廠容許時(shí)間，保護(hù)機(jī)制會(huì)引發(fā)（安全）停車，這可能會(huì)使生產(chǎn)帶來巨大損失。

        恢復(fù)時(shí)間的一個(gè)關(guān)鍵特性是它的確定性，比如，保證恢復(fù)時(shí)間肯定低于某個(gè)特定值，滿足基本要求（某個(gè)時(shí)間的單一失效，沒有共模失效，小于最大容許時(shí)間）。

        無論工廠是否依靠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，增加網(wǎng)絡(luò)的可用性都是非常必要的。這里不討論使用元件的可靠性或者增加維護(hù)來提高可用性。我們只考慮系統(tǒng)一旦失效，協(xié)議帶來的冗余功能，以及如何自動(dòng)重新配置網(wǎng)絡(luò)中的元件。

1.2網(wǎng)絡(luò)冗余的分類

        考慮兩類網(wǎng)絡(luò)冗余：
        ? 在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的冗余管理；
        ? 在終節(jié)點(diǎn)的冗余管理。

        在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的冗余管理
        網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的冗余應(yīng)用在廣域網(wǎng)上，以前現(xiàn)場總線3層路由器會(huì)根據(jù)鏈接失效計(jì)算可變的路徑。相應(yīng)的協(xié)議作為IP簇的一部分，已經(jīng)得到很好的驗(yàn)證。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，恢復(fù)時(shí)間為幾十秒，或者要幾分鐘。這種恢復(fù)時(shí)間僅能被很緩慢的應(yīng)用所接受。

        自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通常運(yùn)行在一個(gè)的局域網(wǎng)（LAN）上，比如，操作的報(bào)文穿通常梭于1層的重發(fā)器或者2層的交換機(jī)之間，但不會(huì)跨越路由器。雖然通過路由器或者防火墻發(fā)出和進(jìn)入的報(bào)文確實(shí)存在，但不是關(guān)鍵和主要的。

        傳統(tǒng)上，在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的冗余由協(xié)議來處理，當(dāng)連接丟失后，重新配置局域網(wǎng)，并進(jìn)行切換。使用冗余連接并切換的方法有：根據(jù)IEEE 802.1D標(biāo)準(zhǔn)的快速生成樹協(xié)議（RSTP）。

        改進(jìn)的2層冗余協(xié)議建立在與RSTP相似的原理上，但提供了一種更快的恢復(fù)，它是根據(jù)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)具有環(huán)行拓?fù)涞募俣ǘO(shè)計(jì)。終節(jié)點(diǎn)（end node）是不變化的自動(dòng)化節(jié)點(diǎn)。

        在終節(jié)點(diǎn)內(nèi)的冗余管理
        對(duì)恢復(fù)時(shí)間的進(jìn)一步加快需要在終節(jié)點(diǎn)內(nèi)管理冗余，需要配備多個(gè)、冗余連接的終節(jié)點(diǎn)。通常，雙重連接（doubly attached）終節(jié)點(diǎn)提供了兩通道冗余。這種類型的冗余，不用考慮在局域網(wǎng)內(nèi)的切換。

        對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用，例如：同步驅(qū)動(dòng)器，并行運(yùn)行對(duì)斷開的網(wǎng)絡(luò)保證了無間斷的恢復(fù)，但需要網(wǎng)絡(luò)的完全雙重化。有些關(guān)鍵應(yīng)用還需要雙重連接節(jié)點(diǎn)，來對(duì)付單一連接失效，甚至都沒有恢復(fù)時(shí)間。

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1.3幾種冗余協(xié)議的比較和性能指標(biāo)

        每種協(xié)議提供了：
        ? 一個(gè)最大的、確定的和保證的恢復(fù)時(shí)間（有時(shí)要取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）；
        ? 針對(duì)應(yīng)用在不同環(huán)境下的實(shí)際通信透明度；并且
        ? 雙重連接節(jié)點(diǎn)可與單一連接節(jié)點(diǎn)互操作（如：市售產(chǎn)品、IT設(shè)備）。

表2 一些冗余協(xié)議的部分特性比較，按恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行排序

        注：表2中的保證恢復(fù)時(shí)間必須使用特定的設(shè)置和參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)。在用戶的實(shí)踐和不斷總結(jié)中，采用不同的設(shè)置和參數(shù)可能達(dá)到更短的恢復(fù)時(shí)間。

        當(dāng)用戶進(jìn)行具體實(shí)施時(shí)，不同解決方案的參考指標(biāo)包括：
        ? 失效恢復(fù)時(shí)間；
        ? 修理恢復(fù)時(shí)間；
        ? 復(fù)原恢復(fù)時(shí)間；
        ? 最差恢復(fù)時(shí)間；
        ? 對(duì)正常運(yùn)行的影響。

        失效的情況包括：
        ? 當(dāng)前有效網(wǎng)絡(luò)管理器（如果存在）的失效，然后修理和復(fù)原；
        ? 當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時(shí)間源（如果存在）的失效，然后修理和復(fù)原。

2. MRP（Media Redundancy Protocol）――基于環(huán)型拓?fù)涞慕橘|(zhì)冗余協(xié)議

2.1 MRP 概述
        介質(zhì)冗余協(xié)議指定了一種基于環(huán)型拓?fù)涞幕謴?fù)協(xié)議。MRP是對(duì)使用交換機(jī)、可能發(fā)生單一失效、具有確定性反應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)。MRP 是基于ISO/IEC 8802-3 (IEEE 802.3) 和IEEE 802.1D的特性，包括過慮數(shù)據(jù)庫（FDB）功能，MRP位于數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層之間（參見圖1）。

        遵從協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有環(huán)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，帶有多個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)扮演介質(zhì)冗余管理器（MRM）的角色。MRM的功能是監(jiān)視和控制環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)失效便立即反應(yīng)。MRM通過一個(gè)環(huán)端口（ring port）往環(huán)上發(fā)送幀，然后在另一個(gè)環(huán)端口接收這些幀來完成其作用的，在相反方向上也是一樣的。

        在環(huán)中的其他節(jié)點(diǎn)扮演介質(zhì)冗余客戶機(jī)（MRC）的角色。一個(gè)MRC在接收來自MRM的重新配置幀時(shí)起作用，可以在它的兩個(gè)環(huán)端口上改變連接。

        遵從協(xié)議的節(jié)點(diǎn)應(yīng)能執(zhí)行下面的功能：
        ? 介質(zhì)冗余管理器（MRM）；
        ? 介質(zhì)冗余客戶機(jī)（MRC）；或者
        ? 既是MRM又是MRC（但兩個(gè)角色不能同時(shí)有效）。

        每個(gè)MRP兼容節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)內(nèi)置交換機(jī)，帶兩個(gè)環(huán)端口，連接在環(huán)上。環(huán)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠探測(cè)失效或者恢復(fù)內(nèi)部交換機(jī)連接，或者恢復(fù)相鄰節(jié)點(diǎn)。

        MRP由一個(gè)服務(wù)和一個(gè)協(xié)議實(shí)體組成，參看圖1中的棧模型。

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圖1 – MRP 棧

2.2 環(huán)端口

        MRM和MRC應(yīng)該有兩個(gè)環(huán)端口。 MRM和MRC應(yīng)該能夠探測(cè)失效或者使用基于IEEE 802.3機(jī)制，對(duì)一個(gè)環(huán)端口恢復(fù)連接。

2.3 介質(zhì)冗余管理器（MRM）

        MRM的第一個(gè)環(huán)端口應(yīng)連接到MRC的一個(gè)環(huán)端口。MRC的另一個(gè)環(huán)端口一個(gè)連接到另一個(gè)MRC的環(huán)端口或者M(jìn)RM的第二個(gè)環(huán)端口，從而形成一個(gè)如圖2所示的環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。