《工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用（微課版）》 課件 第4章 網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)

天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)李穎工業(yè)控制系統(tǒng)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)第4章冗余技術(shù)第4章網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)網(wǎng)絡(luò)冗余是指集成硬件和軟件，以確保在網(wǎng)絡(luò)某一點(diǎn)故障時(shí)，能保持最佳的可用性。在現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中常用的冗余協(xié)議有以下幾種：STP/RSTP生成樹協(xié)議/快速生成樹協(xié)議：用于消除網(wǎng)絡(luò)中存在的環(huán)路，構(gòu)建樹形拓?fù)?，同時(shí)實(shí)現(xiàn)鏈路的冗余備份。MRP介質(zhì)冗余協(xié)議：僅適用于環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它允許以太網(wǎng)交換機(jī)成環(huán)狀連接，在發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)獲得比生成樹協(xié)議更快的恢復(fù)時(shí)間，它適用于大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)合。PRP并行冗余協(xié)議：適用于高可靠性自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)HSR高可靠性無縫冗余：通過環(huán)網(wǎng)式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的平行冗余。4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹生成樹協(xié)議（SpanningTreeProtocol,縮寫STP）是IEEE802.1d中描述的開放協(xié)議。它是OSI第2層協(xié)議，保證了局域網(wǎng)中無環(huán)路。生成樹協(xié)議基于RadiaPerlman開發(fā)的算法，允許網(wǎng)絡(luò)有冗余鏈路，如果鏈路出于任何原因損壞，則會(huì)自動(dòng)恢復(fù)并提供非環(huán)路的備份路徑。STP協(xié)議在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中很難得到應(yīng)用。這是因?yàn)橹С稚蓸鋮f(xié)議的交換機(jī)，在鏈路中斷后，需要30-50秒恢復(fù)時(shí)間替代路徑才可用，這種延遲對(duì)于控制系統(tǒng)是不可接受的。而對(duì)于檢測(cè)應(yīng)用程序來說，30秒是最長(zhǎng)的接受時(shí)間。此外，它還不能用于環(huán)結(jié)構(gòu)冗余。為了讓生成樹協(xié)議縮短恢復(fù)時(shí)間，IEEE在2001年制定了快速生成樹協(xié)議（RSTP）。RSTP的恢復(fù)時(shí)間低于STP，大于1到10秒而不是30到50秒。根據(jù)應(yīng)用程序的不同，此恢復(fù)時(shí)間已經(jīng)相當(dāng)快了4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹4.1.1生成樹協(xié)議中的基本概念1.橋接協(xié)議數(shù)據(jù)單元STP的所有功能都是通過交換機(jī)或者網(wǎng)橋之間周期性地發(fā)送STP的橋接協(xié)議數(shù)據(jù)單元（BridgeProtocolDataUnit縮寫B(tài)PDU）來實(shí)現(xiàn)的。BPDU用于在交換機(jī)或者網(wǎng)橋之間傳遞信息，每2秒發(fā)送一次報(bào)文。STP的BPDU是一種二層報(bào)文，目的MAC是多播地址01-80-C2-00-00-00，所有支持STP協(xié)議的交換機(jī)都會(huì)接收并處理收到的BPDU報(bào)文，該報(bào)文的數(shù)據(jù)區(qū)里攜帶了用于生成樹計(jì)算的所有有用信息。4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹BPDU報(bào)文格式各個(gè)字段的含義如下。ProtocolID：協(xié)議ID，恒定為0。Version：版本號(hào),恒定為0。Type：報(bào)文類型，決定該中所包含的兩種BPDU格式類型（配置BPDU和拓?fù)渥兏黅CNBPDU）。Flags：標(biāo)記，標(biāo)志活動(dòng)拓樸中的變化。標(biāo)記包含在拓樸變化通知（TopologyChangeNotifications）的下一部分中。RootBID：根網(wǎng)橋的網(wǎng)橋ID。收斂后的網(wǎng)絡(luò)中,所有網(wǎng)橋配置BPDU中的該字段都應(yīng)該具有相同值?？梢约?xì)分為兩個(gè)BID子字段：網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)（2字節(jié)）和網(wǎng)橋MAC地址（6字節(jié)）。BPDU的報(bào)文格式4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹RootPath:根路徑成本,通向根網(wǎng)橋（RootBridge）的所有鏈路的積累開銷。SenderBID：發(fā)送網(wǎng)橋ID。創(chuàng)建當(dāng)前BPDU的網(wǎng)橋BID。對(duì)于某一交換機(jī)發(fā)送的所有BPDU而言，該字段值都相同；而對(duì)于不同交換機(jī)發(fā)送的BPDU而言，該字段值不同。PortID：端口ID，每個(gè)端口的ID值都是唯一的，由端口優(yōu)先級(jí)（1字節(jié)）和端口編號(hào)組成。這個(gè)字段記錄的是發(fā)送BPDU網(wǎng)橋的出端口。MessageAge：報(bào)文老化時(shí)間。記錄RootBridge生成當(dāng)前BPDU后經(jīng)過的時(shí)間。MaxAge:最大老化時(shí)間，保存BPDU的最長(zhǎng)時(shí)間，也反映了拓樸變化通知（TopologyChangeNotification）過程中的網(wǎng)橋表生存時(shí)間情況。Hello:訪問時(shí)間，指周期性發(fā)送BPDU的時(shí)間，默認(rèn)是2秒。ForwardDelay:轉(zhuǎn)發(fā)延遲,用于在Listening和Learning狀態(tài)的時(shí)間,也反映了拓樸變化通知（TopologyChangeNotification）過程中的時(shí)間情況。4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹2.路徑成本STP依賴于路徑成本的概念，最短路徑是建立在累計(jì)路徑成本的基礎(chǔ)上的。生成樹的根路徑成本就是到根網(wǎng)橋的路徑中所有鏈路的路徑成本的累計(jì)和。路徑成本的計(jì)算和鏈路的帶寬相關(guān)聯(lián)，表4-1列出了一些在IEEE802.1d標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的路徑成本。STP的路徑成本是越低越好4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹3.網(wǎng)橋ID使用STP時(shí)，擁有最低網(wǎng)橋ID的交換機(jī)將成為根網(wǎng)橋。網(wǎng)橋ID共8字節(jié)，由2字節(jié)的優(yōu)先級(jí)和6字節(jié)網(wǎng)橋的MAC地址組成.網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)是從0~65535的數(shù)字，默認(rèn)值是32768（0x8000）。優(yōu)先級(jí)最低的網(wǎng)橋?qū)⒊蔀楦W(wǎng)橋。如果網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)相同，則比較網(wǎng)橋MAC地址，具有最低MAC地址的交換機(jī)或網(wǎng)橋?qū)⒊蔀楦W(wǎng)橋。4.端口ID端口ID也參與決定到根網(wǎng)橋的路徑。端口ID共2字節(jié)，包括1字節(jié)的端口優(yōu)先級(jí)和1字節(jié)的端口編號(hào)組成。端口優(yōu)先級(jí)是從0~255的數(shù)字，默認(rèn)值是128（0x80）。端口編號(hào)則是按照端口在交換機(jī)上的順序排列的，例如，端口1的ID是0x8001，端口2的ID是0x8002。端口優(yōu)先級(jí)數(shù)越小，則優(yōu)先級(jí)越高。如果端口優(yōu)先級(jí)相同，則編號(hào)越小，優(yōu)先級(jí)越高。4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹4.1.2生成樹協(xié)議的工作過程1.選舉一個(gè)根網(wǎng)橋在一個(gè)給定網(wǎng)絡(luò)中只能存在一個(gè)根網(wǎng)橋，也就是具有最小網(wǎng)橋ID的交換機(jī)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)啟動(dòng)后，每一臺(tái)都會(huì)假定它自己就是根網(wǎng)橋，把自己的網(wǎng)橋ID寫入BPDU的根網(wǎng)橋ID字段里面，然后向外泛洪。當(dāng)交換機(jī)接收到一個(gè)具有更低的RootBID的BPDU時(shí),它就會(huì)把自己正在發(fā)送的BPDU中的RootBID字段替換為這個(gè)更低的網(wǎng)橋ID，再向外發(fā)送。經(jīng)過一段時(shí)間以后，所有的交換機(jī)都會(huì)比較完全部的RootBID，并且選舉出具有最小網(wǎng)橋ID的交換機(jī)作為根網(wǎng)橋。4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹例如，在圖4-2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，三臺(tái)交換機(jī)通過比較網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)，發(fā)現(xiàn)交換機(jī)1的優(yōu)先級(jí)是最小的，因此交換機(jī)1被選舉為根網(wǎng)橋。4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹如果三臺(tái)交換機(jī)的網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)相同的話，則交換機(jī)2當(dāng)選為根網(wǎng)橋，因?yàn)樗腗AC地址最小。根網(wǎng)橋默認(rèn)情況下每2秒發(fā)送一次BPDU，生成樹下游的非根交換機(jī)會(huì)接收這些BPDU，依據(jù)其中傳遞的信息進(jìn)行根端口和指定端口的選舉。STP收斂以后，如果有一臺(tái)網(wǎng)橋ID值更小的交換機(jī)加入進(jìn)來，那么，它也會(huì)把自己當(dāng)作一個(gè)根網(wǎng)橋而在網(wǎng)絡(luò)中通告，引起STP進(jìn)行新一輪的根網(wǎng)橋選舉。由于新交換機(jī)的網(wǎng)橋ID更小，所以其他的交換機(jī)在比較一番后，就會(huì)把它作為新的根網(wǎng)橋記錄下來，再重新計(jì)算到達(dá)新根網(wǎng)橋的無環(huán)路拓?fù)洹?.1STP生成樹與RSTP快速生成樹2.選舉根端口下面要在所有的非根網(wǎng)橋上選舉出根端口。所謂根端口（RootPort，縮寫RP），就是從非根網(wǎng)橋到根網(wǎng)橋路徑成本最小的端口。選舉根端口的依據(jù)順序如下：根路徑成本最小。發(fā)送網(wǎng)橋ID最小。發(fā)送端口ID最小。4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹如圖4-3所示，交換機(jī)1為根網(wǎng)橋，交換機(jī)2和交換機(jī)3都需要選舉出到達(dá)交換機(jī)1的根端口。按照表4-1中路徑成本的計(jì)算方法，對(duì)于交換機(jī)2來說，從端口P2到達(dá)根網(wǎng)橋的根路徑成本是19，計(jì)算方法是：端口P2接收到根網(wǎng)橋發(fā)送的BPDU中根路徑成本字段是0，交換機(jī)2將端口P2的路徑成本（帶寬100Mbps的快速以太網(wǎng)鏈路，路徑成本為19）累加在上面，得到P2的根路徑成本為0+19＝19。從端口P1到達(dá)根網(wǎng)橋的根路徑成本是19+19＝38，因?yàn)樗盏浇粨Q機(jī)3發(fā)送的BPDU中根路徑成本字段值已經(jīng)是19了，再累加端口P1的路徑成本19，得到最終的根路徑成本為38。通過比較端口P1和端口P2的根路徑成本，P2將被選舉為根端口。同理，交換機(jī)3的P1端口也會(huì)被選舉成根端口。4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹如果一臺(tái)非根交換機(jī)到達(dá)根網(wǎng)橋的多條根路徑的成本相同，則比較從不同的根路徑所收到BPDU中的發(fā)送網(wǎng)橋ID，哪個(gè)端口收到的BPDU中發(fā)送網(wǎng)橋ID較小，則哪個(gè)端口為根端口;如果發(fā)送網(wǎng)橋ID也相同，則比較這些BPDU中的端口ID，哪個(gè)端口收到的BPDU中端口ID較小，則哪個(gè)端口為根端口。4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹在每個(gè)網(wǎng)段中需要選取一個(gè)指定端口。所謂指定端口（DesignatedRoot縮寫DR），就是連接在某個(gè)網(wǎng)段上的一個(gè)橋接端口，它通過該網(wǎng)段既向根交換機(jī)發(fā)送流量，也從根交換機(jī)接收流量。橋接網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)網(wǎng)段都必須有一個(gè)指定端口。選舉指定端口的依據(jù)順序如下。根路徑成本最小。所在交換機(jī)的網(wǎng)橋ID最小。端口ID最小。因此，根網(wǎng)橋上的每個(gè)活動(dòng)端口都是指定端口，因?yàn)樗拿總€(gè)端口都具有最小根路徑成本0。4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹如圖4-4所示，根網(wǎng)橋交換機(jī)1上的活動(dòng)端口P1和P2由于根路徑成本為0，都當(dāng)選為指定端口;而連接交換機(jī)2和交換機(jī)3的網(wǎng)段上兩個(gè)端口的根路徑成本都是38（19+19＝38），那么就需要比較網(wǎng)橋ID了。交換機(jī)2和交換機(jī)3的網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)相同，但交換機(jī)2的MAC地址更小一些，所以交換機(jī)2的P1端口會(huì)被選舉為該網(wǎng)段的指定端口。此時(shí)，STP完成了計(jì)算過程，只有在交換機(jī)3上的P2端口既不是根端口，也不是指定端口。4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹4.阻塞非根、非指定端口為創(chuàng)建一個(gè)無環(huán)拓?fù)洌琒TP配置根端口和指定端口轉(zhuǎn)發(fā)流量，然后阻塞非根和非指定的端口，形成邏輯上無環(huán)路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此時(shí),交換機(jī)2和交換機(jī)3之間的鏈路為備份鏈路,當(dāng)交換機(jī)1和交換機(jī)2、交換機(jī)1和交換機(jī)3之間的主鏈路正常時(shí)，這條鏈路處于邏輯斷開狀態(tài)，這樣就將交換環(huán)路變成了邏輯上的無環(huán)拓?fù)?。只有?dāng)主鏈路故障時(shí)，才會(huì)啟用備份鏈路，以保證網(wǎng)絡(luò)的連通性4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹4.1.3生成樹協(xié)議的端口狀態(tài)在STP中,正常的端口具有四種狀態(tài):阻塞（Blocking）、監(jiān)聽（Listening）、學(xué)習(xí)（Learning）和轉(zhuǎn)發(fā)（Forwarding），端口的狀態(tài)就在這四種狀態(tài)里面變化。Blocking：初始啟用端口之后的狀態(tài)。端口不能接收或者傳輸數(shù)據(jù)，不能把MAC地址加入地址表，只能接收BPDU。如果檢測(cè)到有一個(gè)交換環(huán)路，或者端口失去了它的根端口或者指定端口的狀態(tài)，那么就會(huì)返回到Blocking狀態(tài)。Listening:如果一個(gè)端口可以成為一個(gè)根端口或者指定端口，那么它就轉(zhuǎn)入監(jiān)聽狀態(tài)，不能接收或者傳輸數(shù)據(jù)，也不能把MAC地址加入地址表，但可以接收和發(fā)送BPDU。此時(shí)，端口參與根端口和指定端口的選舉，因此，這個(gè)端口最終可能被允許成為一個(gè)根端口或指定端口。如果該端口失去根端口或指定端口的地位，那么它將返回到Blocking狀態(tài)。4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹Learning:在轉(zhuǎn)發(fā)延遲計(jì)時(shí)時(shí)間超時(shí)（默認(rèn)15秒）后，端口進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，此時(shí)端口不能傳輸數(shù)據(jù)，但可以發(fā)送和接收BPDU，也可以學(xué)習(xí)MAC地址，并加入地址表。正因?yàn)槿绱?，才使得交換機(jī)可以沉默一定的時(shí)間，處理有關(guān)地址表的信息。Forwarding:在下一次轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)計(jì)時(shí)時(shí)間后，端口進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，此時(shí)端口能夠發(fā)送和接收數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)MAC地址、發(fā)送和接收BPDU。在生成樹拓?fù)渲校摱丝谥链瞬懦蔀橐粋€(gè)全功能的交換機(jī)端口。STP中端口還有一個(gè)Disabled（禁用）狀態(tài)，由網(wǎng)絡(luò)管理員設(shè)定或因網(wǎng)絡(luò)故障使系統(tǒng)的端口處于Disabled狀態(tài)。這個(gè)狀態(tài)是比較特殊的狀態(tài)，它并不是端口正常的STP狀態(tài)。4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹當(dāng)交換機(jī)加電啟動(dòng)后，所有的端口從初始化狀態(tài)進(jìn)入到阻塞狀態(tài)，它們從這個(gè)狀態(tài)開始監(jiān)聽BPDU。當(dāng)交換機(jī)第一次啟動(dòng)時(shí)，它會(huì)認(rèn)為自己是根網(wǎng)橋，所以會(huì)轉(zhuǎn)換為監(jiān)聽狀態(tài)。如果一個(gè)端口處于阻塞狀態(tài)，并在一個(gè)最大老化時(shí)間（20秒）內(nèi)沒有接收到新的BPDU，端口也會(huì)從阻塞狀態(tài)轉(zhuǎn)換為監(jiān)聽狀態(tài)。在監(jiān)聽狀態(tài)，所有交換機(jī)選舉根網(wǎng)橋，在非根網(wǎng)橋上選舉根端口，并且在每一個(gè)網(wǎng)段中選舉指定端口。經(jīng)過一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)延遲（15秒）后，端口進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。如果一個(gè)端口在學(xué)習(xí)狀態(tài)結(jié)束后（再經(jīng)過一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)延遲15秒），成為根端口或者指定端口就進(jìn)入了轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，可以正常接收和發(fā)送用戶數(shù)據(jù)，否則就轉(zhuǎn)回阻塞狀態(tài)。最后，生成樹經(jīng)過一段時(shí)間（默認(rèn)值是50秒左右）穩(wěn)定之后，所有端口都進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)或者阻塞狀態(tài)。STPBPDU仍然會(huì)定時(shí)（默認(rèn)每隔2秒）從各個(gè)交換機(jī)的指定端口發(fā)出，以維護(hù)鏈路的狀態(tài)。如果網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化，生成樹就會(huì)重新計(jì)算，端口狀態(tài)也會(huì)隨之改變。4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹4.1.4快速生成樹協(xié)議快速生成樹協(xié)議RSTP在物理拓?fù)渥兓蚺渲脜?shù)發(fā)生變化時(shí)，顯著地減少了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹匦率諗繒r(shí)間。相比STP主要有以下幾點(diǎn)變化：除了根端口和指定端口外，快速生成樹協(xié)議定義了2種新增加的端口角色：替代端口（AlternatePort）和備份（BackupPort）。這兩種新增的端口用于取代阻塞端口。替代端口為當(dāng)前的根端口到根網(wǎng)橋的連接提供了替代路徑，而備份端口則提供了到達(dá)同段網(wǎng)絡(luò)的備份路徑，是對(duì)一個(gè)網(wǎng)段的冗余連接。4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹RSTP只有三種端口狀態(tài)：丟棄（Discarding）、學(xué)習(xí)（Learning）和轉(zhuǎn)發(fā)（Forwarding）。STP中的禁用、阻塞和監(jiān)聽狀態(tài)就對(duì)應(yīng)了RSTP的丟棄狀態(tài)。表4-2比較了STP和RSTP的端口狀態(tài)。4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹RSTP可以主動(dòng)地將端口立即轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，而無須通過調(diào)整計(jì)時(shí)器的方式去縮短收斂時(shí)間。為了能夠達(dá)到這種目的，就出現(xiàn)了兩個(gè)新的變量:邊緣端口（edgeport）和鏈路類型（linktype）。邊緣端口是指連接終端的端口。由于連接端工作站（而不是另一臺(tái)交換機(jī)）是不可能導(dǎo)致交換環(huán)路的，因此這類端口就沒有必要經(jīng)過監(jiān)聽和學(xué)習(xí)狀態(tài)，從而可以直接轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。一旦邊緣端口收到了BPDU，它將立即轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ǖ腞STP端口。在理想條件下，RSTP應(yīng)當(dāng)是網(wǎng)絡(luò)中使用的默認(rèn)生成樹協(xié)議。由于STP與RSTP之間的兼容性,由STP到RSTP轉(zhuǎn)換是無縫的。4.1STP生成樹與RSTP快速生成樹如果一臺(tái)非根交換機(jī)到達(dá)根網(wǎng)橋的多條根路徑的成本相同，則比較從不同的根路徑所收到BPDU中的發(fā)送網(wǎng)橋ID，哪個(gè)端口收到的BPDU中發(fā)送網(wǎng)橋ID較小，則哪個(gè)端口為根端口;如果發(fā)送網(wǎng)橋ID也相同，則比較這些BPDU中的端口ID，哪個(gè)端口收到的BPDU中端口ID較小，則哪個(gè)端口為根端口。4.2環(huán)網(wǎng)冗余隨工業(yè)以太網(wǎng)快速發(fā)展，越來越多的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的加入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)變得愈發(fā)復(fù)雜。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，如果采用線性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生了問題，隨后的設(shè)備就會(huì)完全的斷開，造成通信的中斷。而針對(duì)工業(yè)技術(shù)對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)可靠性的高要求，工業(yè)以太網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。環(huán)網(wǎng)技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)如下：可以快速檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤并重新自動(dòng)配置網(wǎng)絡(luò)。可以在小型和大型網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施使用。清晰且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)接線。工廠可以在運(yùn)行期間進(jìn)行擴(kuò)展工作。標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議確保了來自不同制造商設(shè)備的兼容性4.2.1.介質(zhì)冗余協(xié)議（MediaRedundancyProtocol）介質(zhì)冗余協(xié)議（MediaRedundancyProtocol，縮寫MRP）是Profinet標(biāo)準(zhǔn)的一部分。在MRP的情況下，環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)通過阻塞環(huán)中的一個(gè)端口以獲得一個(gè)線狀結(jié)構(gòu)。在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤的情況下，網(wǎng)絡(luò)分成兩條獨(dú)立的線路，當(dāng)被阻塞的端口被釋放時(shí)，這些線路再次連接在一起?；謴?fù)時(shí)間在200毫秒范圍內(nèi)。MRP適用于大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)合，工業(yè)交換機(jī)通常都支持MRP。4.2.1.介質(zhì)冗余協(xié)議（MediaRedundancyProtocol）1.MRP概述MRP一種基于環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的快速恢復(fù)協(xié)議，圖4-5所示為兩個(gè)MRP環(huán)互聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個(gè)MRP的環(huán)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)介質(zhì)冗余管理器MRM，觀察和控制環(huán)拓?fù)?，以便?duì)網(wǎng)絡(luò)故障做出反應(yīng)。MRM通過在環(huán)上的一個(gè)環(huán)端口發(fā)送幀，并通過另一個(gè)環(huán)端口從環(huán)接收幀，反之亦然。其他設(shè)備為介質(zhì)冗余客戶端MRC。MRC對(duì)從MRM接收到的重新配置數(shù)據(jù)幀做出反應(yīng)，并且可以檢測(cè)其環(huán)端口上的鏈路改變并發(fā)送信號(hào)。4.2.1.介質(zhì)冗余協(xié)議（MediaRedundancyProtocol）環(huán)中的某些設(shè)備或所有設(shè)備也可以作為介質(zhì)冗余自動(dòng)管理器（MRA）啟動(dòng)。MRA通過使用投票協(xié)議在彼此之間選擇一個(gè)MRM，其余的轉(zhuǎn)換為MRC。MRA通過使用投票協(xié)議在彼此之間選擇一個(gè)MRM，其余的轉(zhuǎn)換為MRC。環(huán)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠檢測(cè)交換機(jī)間鏈路的故障或恢復(fù)，或者檢測(cè)相鄰節(jié)點(diǎn)的故障或恢復(fù)。4.2.1.介質(zhì)冗余協(xié)議（MediaRedundancyProtocol）冗余地連接兩個(gè)MRP環(huán)，其中一個(gè)設(shè)備具有介質(zhì)冗余連接管理器MIM的角色。MIM的功能是觀察和控制冗余互連拓?fù)?，以便?duì)互連故障做出反應(yīng)。其他三個(gè)設(shè)備具有介質(zhì)冗余互連客戶端MIC的作用。MIC對(duì)從MIM接收到的重新配置幀做出反應(yīng)，它可以檢測(cè)到其互連端口的鏈路變化并發(fā)出信號(hào)，并且它可以發(fā)出鏈接更改通知消息。4.2.1.介質(zhì)冗余協(xié)議（MediaRedundancyProtocol）2.MRP協(xié)議的端口狀態(tài)MRM和MRC應(yīng)該有兩個(gè)環(huán)形端口，環(huán)形端口應(yīng)禁用STP、RSTP或MSTP。環(huán)形端口通常為以下端口狀態(tài)：不可用（DISABLED）：全部數(shù)據(jù)幀被丟棄。阻塞（BLOCKED）；除了MRP用于管理的數(shù)據(jù)幀和高層應(yīng)用不轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀，其余數(shù)據(jù)幀都被丟棄。轉(zhuǎn)發(fā)（FORWARDING）：所有數(shù)據(jù)幀均轉(zhuǎn)發(fā)。4.2.1.介質(zhì)冗余協(xié)議（MediaRedundancyProtocol）3.介質(zhì)冗余管理器MRM的控制方式MRM的一個(gè)環(huán)形端口應(yīng)連接到MRC的一個(gè)環(huán)形端口。MRC的另一個(gè)環(huán)形端口應(yīng)連接到另一個(gè)MRC的環(huán)形端口或MRM的第二個(gè)環(huán)形端口，從而形成如圖4-6所示的環(huán)形拓?fù)?。MRM通過以下方式控制環(huán)狀態(tài)：在配置的時(shí)間周期內(nèi)在環(huán)的兩個(gè)方向發(fā)送MRP_Test檢測(cè)幀。如果接收到自己的MRP_Test檢測(cè)幀，將一個(gè)環(huán)端口設(shè)置為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài),將另一個(gè)環(huán)端口設(shè)置為阻塞狀態(tài)。如果在一個(gè)MRP_TSTdefaultT或MRP_TSTshortT或MRP_TSTNRmax時(shí)間周期里，沒有接收到自己的MRP_Test檢測(cè)幀，則將兩個(gè)環(huán)端口設(shè)置為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，如圖4-7所示。4.2.1.介質(zhì)冗余協(xié)議（MediaRedundancyProtocol）

MRM應(yīng)該指出環(huán)狀態(tài)的變化，給所有MRC發(fā)送MRP_TopologyChange幀。當(dāng)探測(cè)到環(huán)路斷開時(shí)，那么MRM通過它的兩個(gè)環(huán)端口發(fā)送MRP_TopologyChange幀。這個(gè)幀帶有一個(gè)延時(shí)時(shí)間，延時(shí)后執(zhí)行環(huán)型拓?fù)涞母淖?。這個(gè)延時(shí)參數(shù)稱為MRP_Interval。當(dāng)這個(gè)時(shí)間結(jié)束，所有MRC應(yīng)該清除它們的過濾數(shù)據(jù)庫（FDB）。每個(gè)MRC應(yīng)該對(duì)延時(shí)參數(shù)MRP_Interval，返回一個(gè)MRP_LinkUp或者M(jìn)RP_LinkDown幀到MRM，告訴MRM在這個(gè)時(shí)間結(jié)束后，MRC將改變它的端口狀態(tài)，從BLOCKED到FORWARDING（MRP_LinkUp幀）或者到DISABLED（MRP_LinkDown幀）。4.2.1.介質(zhì)冗余協(xié)議（MediaRedundancyProtocol）4.介質(zhì)冗余客戶端MRC的控制方式每個(gè)MRC應(yīng)將一個(gè)環(huán)形端口上接收到的MRP_Test測(cè)試幀轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)環(huán)形端口。如果某一臺(tái)MRC檢測(cè)到環(huán)端口鏈路的故障或恢復(fù)，該MRC可以通過其兩個(gè)環(huán)端口發(fā)送MRP_LinkChange鏈路改變幀來通知鏈路改變。每個(gè)MRC收到MRP_LinkChange鏈路改變幀都應(yīng)該將其從一個(gè)環(huán)形端口轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)環(huán)形端口。每個(gè)MRC應(yīng)將一個(gè)環(huán)形端口上接收到的MRP_TopologyChange拓?fù)涓淖儙D(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)環(huán)形端口。每個(gè)MRC應(yīng)能處理這些幀。如果在一個(gè)給定間隔（MRP_TOPchgT）收到MRP_TopologyChange幀，它應(yīng)該清除它的過濾數(shù)據(jù)庫FDB。每個(gè)MRC如果沒有MIM和MIC處于活動(dòng)狀態(tài)，總是將MRP_InTest幀、MRP_InLinkChange幀、MRP_InTopologyChange幀和MRP_InLinkStatus幀從一個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)端口。4.2.1.介質(zhì)冗余協(xié)議（MediaRedundancyProtocol）5.冗余域冗余域表示一個(gè)環(huán)。缺省時(shí)，所有MRM和MRC都屬于整個(gè)缺省域。每個(gè)域分派了一個(gè)獨(dú)一無二的身份標(biāo)識(shí)ID，作為它的關(guān)鍵屬性，特別當(dāng)一個(gè)MRM或者一個(gè)MRC為多個(gè)環(huán)的成員時(shí)，這樣就不會(huì)造成混淆。在每個(gè)冗余域中，一個(gè)設(shè)備應(yīng)該嚴(yán)格指派兩個(gè)唯一的環(huán)端口。4.2.2.HRP高速冗余協(xié)議HRP是西門子交換機(jī)的一種私有的環(huán)網(wǎng)協(xié)議，它的重構(gòu)時(shí)間在最大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下是300ms。HRP主要是為了交換機(jī)的骨干網(wǎng)設(shè)計(jì)的環(huán)網(wǎng)協(xié)議，他最大的特點(diǎn)是可以結(jié)合環(huán)間熱備Standby可以實(shí)現(xiàn)和多環(huán)網(wǎng)之間的鏈路冗余。1.HRP高速冗余協(xié)議和MRP協(xié)議類似HRP也是一種基于環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的快速恢復(fù)協(xié)議。圖4-8是一個(gè)單環(huán)HRP網(wǎng)絡(luò)，在一個(gè)HRP環(huán)網(wǎng)中只能由一個(gè)冗余管理器RM，冗余客戶端可以多個(gè)；環(huán)網(wǎng)阻塞端口和環(huán)網(wǎng)接收端口是最開始隨機(jī)分配的。4.2.2.HRP高速冗余協(xié)議環(huán)網(wǎng)鏈路正常的情況下，RM分別從兩個(gè)環(huán)網(wǎng)端口發(fā)送出去的檢測(cè)幀，又分別被另一個(gè)端口接收到檢測(cè)幀，那么說明環(huán)網(wǎng)是正常的。當(dāng)HRP判斷環(huán)網(wǎng)是正常的情況下之后，它會(huì)選擇一個(gè)接收端口和一個(gè)阻塞端口，當(dāng)一個(gè)端口是接收端口時(shí)，另一個(gè)端口就是阻塞端口，形成的線狀鏈路。檢測(cè)幀包含以下數(shù)據(jù)：①發(fā)送冗余管理器RM的MAC地址，用于檢測(cè)環(huán)網(wǎng)中是否有其他的RM，如果發(fā)現(xiàn)有其他RM的時(shí)，設(shè)備會(huì)進(jìn)行報(bào)錯(cuò)。②自冗余管理器RM啟動(dòng)以來，之前環(huán)網(wǎng)切換次數(shù)，也就是環(huán)網(wǎng)從斷開到恢復(fù)一共經(jīng)歷了幾次。③RM的狀態(tài)（主動(dòng)/被動(dòng)）：環(huán)網(wǎng)正常時(shí)RM處于被動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)環(huán)網(wǎng)有鏈路斷開時(shí)RM處于主動(dòng)狀態(tài)。4.2.2.HRP高速冗余協(xié)議當(dāng)鏈路發(fā)生故障時(shí)，如果冗余管理器RM從一個(gè)環(huán)網(wǎng)端口發(fā)送的檢測(cè)幀無法被另一個(gè)環(huán)網(wǎng)端口接收，則說明環(huán)網(wǎng)故障。接下來數(shù)據(jù)傳輸路徑切換。此時(shí)將冗余管理器的原先的阻塞端口切換為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)如圖4-9所示4.2.2.HRP高速冗余協(xié)議2.Standby備用冗余協(xié)議Standby協(xié)議是HRP的擴(kuò)展，支持在環(huán)網(wǎng)之間或開放網(wǎng)段（線性總線）之間采用冗余連接。在冗余鏈路中，環(huán)網(wǎng)通過以太網(wǎng)連接相連在一起。實(shí)現(xiàn)的方法是在一個(gè)環(huán)網(wǎng)中配置一個(gè)主、從設(shè)備對(duì)，主、從設(shè)備能彼此監(jiān)視對(duì)方，并且能在發(fā)生故障時(shí)將數(shù)據(jù)通信從常用的主以太網(wǎng)連接重定向到替代（從）以太網(wǎng)連接，圖4-10中展示了兩個(gè)環(huán)網(wǎng)之間的備用冗余。4.2.2.HRP高速冗余協(xié)議正常狀態(tài)下，環(huán)網(wǎng)中交換機(jī)第一次啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)備用主交換機(jī)發(fā)送一個(gè)信號(hào)到環(huán)網(wǎng)中，并且該信號(hào)被備用從交換機(jī)接收到時(shí)，說明備用主交換機(jī)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。這樣備用主交換機(jī)和備用從交換機(jī)都成功完成了啟動(dòng)，環(huán)網(wǎng)便可以開始采用備用冗余協(xié)議（standby）進(jìn)行通訊，也就是說在環(huán)網(wǎng)開始通訊之前會(huì)進(jìn)行一個(gè)關(guān)鍵幀的檢測(cè)，檢測(cè)備用主交換機(jī)和備用從交換機(jī)是不是已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，是否可以開始進(jìn)行通訊了。備用協(xié)議工作時(shí)，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，備用主交換機(jī)會(huì)不斷的向備用從交換機(jī)發(fā)送一個(gè)被動(dòng)“狀態(tài)”的信號(hào)，如果備用從交換能夠接收到這個(gè)信號(hào)，說明此時(shí)的環(huán)是正常的，那么此時(shí)的路徑是由備用主交換機(jī)的主端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)主鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，備用主交換機(jī)發(fā)送的被動(dòng)狀態(tài)信號(hào)，無法被備用從交換機(jī)收到，備用從交換機(jī)長(zhǎng)時(shí)間未收到主交換機(jī)發(fā)送的被動(dòng)信號(hào)，那么此時(shí)從交換機(jī)備用端口變?yōu)檗D(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，進(jìn)行鏈路的切換。4.3RSTP+協(xié)議RSTP+主要用于將MRP環(huán)網(wǎng)冗余與RSTP網(wǎng)絡(luò)的集成。對(duì)于只使用RSTP的網(wǎng)絡(luò)，如果想和更高效且更快速的MRP環(huán)網(wǎng)集成，就要使用RSTP+協(xié)議。MRP環(huán)網(wǎng)冗余模式不受RSTP+的影響，因?yàn)檫@兩種模式相互獨(dú)立地工作。除外，還可以使用RSTP+基于一個(gè)MRP環(huán)網(wǎng)連接兩個(gè)RSTP網(wǎng)絡(luò)。如果不使用RSTP+，則無法實(shí)現(xiàn)該連接，因?yàn)樯蓸湓诃h(huán)網(wǎng)端口上已禁用。原則上，RSTP網(wǎng)絡(luò)與MRP環(huán)網(wǎng)之間連接點(diǎn)處的所有設(shè)備都必須支持RSTP+方法。MRP環(huán)網(wǎng)中的所有其它設(shè)備都必須轉(zhuǎn)發(fā)BPDU（橋接協(xié)議數(shù)據(jù)單元）。4.3RSTP+協(xié)議1.RSTP網(wǎng)絡(luò)和MRP環(huán)網(wǎng)集成如圖4-11所示，在一個(gè)RSTP網(wǎng)絡(luò)和MRP環(huán)網(wǎng)集成的網(wǎng)絡(luò)中，環(huán)網(wǎng)交換機(jī)1和環(huán)網(wǎng)交換機(jī)4如果不使用RSTP+，則無法將MRP環(huán)網(wǎng)冗余集成到RSTP網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)椴辉试S在一個(gè)端口上并行配置RSTP和MRP。因此，同時(shí)連接到RSTP網(wǎng)絡(luò)的MRP環(huán)網(wǎng)的設(shè)備必須支持RSTP+。圖4-11中的其它設(shè)備必須轉(zhuǎn)發(fā)BPDU。4.3RSTP+協(xié)議2.多個(gè)MRP環(huán)網(wǎng)集成RSTP+還可用于通過RSTP將多個(gè)MRP環(huán)網(wǎng)彼此相互連接。如圖4-12所示，兩個(gè)MRP環(huán)網(wǎng)集成，在這種情況下，RSTP+確保MRP仍可管理環(huán)網(wǎng)冗余且不受RSTP影響。其中，環(huán)網(wǎng)交換機(jī)2、3、5、8使用RSTP+。4.4PRP/HSR并行冗余協(xié)議和高可靠性無縫冗余協(xié)議HSR/PRP全稱分別為高可靠性無縫冗余（High-availabilitySeamlessRedund