工業網絡環網協議介紹：MRP和HRP

1數據鏈路層概述

數據鏈路層負責網絡中相鄰節點間的幀的傳輸，通過數據鏈路層的協議完成幀的同步、節點間傳輸鏈路的管理、傳輸控制及實現節點間傳輸的差錯控制和流量控制，在不太可靠的物理鏈路上實現了數據幀可靠地傳輸。

區域網（LAN）和廣域網（WAN）工作於物理層和數據鏈路層

1.0區域網和乙太網

乙太網（Ethernet ）是目前應用最普遍的區域網技術，取代了其它區域網技術如令牌環、FDDI和ARCNET。

IEEE組織的IEEE 802.3標準制定了乙太網的技術標準。

1.1數據鏈路和幀

鏈路：從一個結點到相鄰結點的一段物理鏈路，中間沒有任何其它交換結點。鏈路只是一條路徑的組成部分，兩個設備間的通信路逕往往要經過許多段這樣的路徑。

數據鏈路：當需要在一條線路上傳送數據時，除了物理線路外，還必須有通信協議來控制這些數據的傳輸。若把實現這些協議的硬體和軟體加到鏈路上，就構成了數據鏈路。

幀：數據在數據鏈路層上是以很小的稱為幀（Frame）的單位傳輸的，幀由幾部分組成，不同的部分執行不同的功能。

2數據鏈路層協議

2.1數據鏈路層協議的3個共同基本問題

封裝成幀
封裝成幀就是在一段數據前後分別添加首部和尾部，幀長就等於數據部分長的加上幀首部和幀尾部的長度。幀首部和幀尾部的一個重要作用就是進行幀定界，幀定界就是標識幀的開始與結束，目的是讓接收方能從接收到的二進位比特流中區分出幀的起始與終止。SOH（start of heading）放在幀的最前面，表示幀首部開始。EOT（end of transmission)表示幀的結束。
最大傳輸單元（Maximum Transmission Unit，MTU）指每種鏈路層協議規定的數據部分的長度上限。

透明傳輸
透明傳輸中的「透明」就是指在傳輸過程中，傳輸業務對外界透明，只負責將需要傳送的業務傳送到目的節點，同時保證傳輸的質量即可，而不對傳輸的業務進行處理。從上層角度看，似乎就是一個透明的管道，什麼都可以傳。
透明傳輸是指不管所傳數據是什麼樣的比特組合，都應當能夠在鏈路上傳送。當所傳數據中的比特組合恰巧與某一個控制信息完全一樣時，就必須採取適當的措施，使接收方不會將這樣的數據誤認為是某種控制信息。

差錯檢測
如奇偶校驗、循環冗餘校驗碼(CRC)等。

2.2點對點協議（PPP)

點對點協議（PPP，Point-to-Point Protocol）是計算機網絡中一種在同步或異步線路上對數據包進行封裝的數據鏈路層協議，主要是用來通過撥號或專線方式在兩個網絡節點之間建立連接、發送數據。PPP是各類型主機、網橋和路由器之間簡單連接的一種解決方案。

3VLAN

使用交換機技術可產生VLAN（Virtual Local Area Network，虛擬區域網）。在計算機網絡中，一個數據鏈路層網絡可以被從邏輯上被劃分為多個不同的廣播域，一個廣播域對應了一個特定的用戶組，默認情況下這些不同的廣播域是相互隔離的。不同的廣播域之間想要通信，需要通過一個或多個路由器。這樣的一個廣播域就稱為VLAN。每個VLAN被分配一個標識，幀只在具有相同VLAN標識的網段間轉發。
與連接到物理上的LAN的節點不同，組成VLAN的節點並非在物理上連接到同一網段，它們是通過特殊的軟體將交換機中的幾個埠，在虛擬的意義上連接在一起。
基於交換機的虛擬區域網能為區域網解決衝突域、廣播域、帶寬問題。

3.1VLAN三種埠模式：Access、Hybrid和Trunk

Access類型埠：只能屬於1個VLAN，一般用於連接計算機埠；

Trunk（中繼）類型埠：可以允許多個VLAN通過,可以接收和發送多個VLAN 報文,一般用於交換機與交換機相關的接口。

Hybrid（混合）類型埠：可以允許多個VLAN通過，可以接收和發送多個VLAN 報文，可以用於交換機的間連接也可以用於連接用戶計算機。

Hybrid接口和Trunk接口在很多應用場景下可以通用，不同之處：Trunk埠報文發送一般都要打標，而Hybrid可以允許多個VLAN不打標。

3.2廣播域、VLAN、網段的區別

引自https://blog.csdn.net/Joshua_bu/article/details/80766514
【網段】【vlan】【廣播域】關於網段，vlan和廣播域的關係的個人理解

廣播域是一個二層概念，所有能夠接收到同一個廣播的設備處於同一廣播域。
VLAN是一個二層概念，相當於基於原來的廣播域劃分更小的廣播域，而在沒有vlan的時候，默認所有設備都屬於vlan1。因此廣播域的範圍等於vlan。
網段是一個三層概念，一個路由器接口對應著一個網段，在有路由器存在的情況下，網段和廣播域是一樣大的。

3.3 IEEE 802.1和IEEE 802.11

二者都屬於802標準，工作於數據鏈路層。

IEEE 802.1 (higher layer LAN protocol，高層區域網協議）是一組協議的集合，如生成樹協議、VLAN協議等。IEEE在制定某一個協議時，會在IEEE 802.1後面加上不同的小寫字母加以區別。

IEEE 802.1a定義區域網體系結構；
IEEE 802.1b定義網際互連，網絡管理及尋址；
IEEE 802.1d定義生成樹協議；
IEEE 802.1p定義優先級隊列；
IEEE 802.1q定義VLAN標記協議；
IEEE 802.1x定義區域網安全認證

IEEE 802.11【Wireless LAN(WLAN) & Mesh (Wi-Fi certification）】是現今無線區域網通用的標準。

4硬體設備

4.1網橋（bridge）

又名橋接器，是一種存儲/轉發設備，他能將一個大區域網分割為多個網段或將兩個以上的區域網互聯成一個邏輯區域網。
它的作用是通過其「過濾和轉發」功能來實現的。當網橋收到一個MAC幀時，就檢查該幀的源地址和目的地址，如果目的站點和源站點在同一個網絡，則不對其進行轉發，這就實現了過濾功能，也完成了對網絡的隔離。否則根據它所保持的路由表選擇正確的網絡進行轉發。

4.2網絡適配器（network adapter ）&MAC地址

計算機是通過網絡適配器（或稱網卡）連接到區域網上的。由於其擁有MAC地址，因此屬於OSI模型的第2層。

網絡的絕對尋址要求每一個站點本身都必須有可以訪問的地址，這個地址就是MAC地址（Media Access Control Address，媒體存取控制位址），也稱為區域網地址（LAN Address）或物理地址（Physical Address）。它是一個用來確認網絡設備位置的位址，由網絡設備製造商生產時燒錄在網卡的存儲器中。每個網卡有一個唯一的MAC地址，一臺設備若有一或多個網卡，則每個網卡都需要並會有一個唯一的MAC地址。

4.3二層交換機（switch）

注意同三層交換機的區分。
競賽中使用的是網管型交換機，屬於三層交換機，這裡我將工業交換機剝離成兩部分方便理解。

交換機從本質上說是多埠的網橋，或高效能的網橋。它們的主要區別在於體系結構不同，網橋是為共享介質的區域網設計的，而交換機允許多個埠之間的並發通信。交換機每個埠都分配一個MAC地址，埠之間的數據通信時硬體實現並且是交換機內部電路的一部分。
二層交換機工作於OSI模型的第2層（數據鏈路層），故而稱為二層交換機。二層交換機可以識別數據包中的MAC地址信息，根據MAC地址進行轉發，並將這些MAC地址與對應的埠記錄在內部地址表中。具體而言，當一個數據幀進入交換機的某個埠，埠的網絡適配器將該幀的MAC地址轉換成具體的交換機埠地址，對幀的轉發採用了高效的交換邏輯來實現，然後將其送到其目的埠。
交換機最顯著的特點在於埠帶寬的獨享，同一時刻可進行多個埠對之間的數據傳輸，每一埠都是一個獨立的衝突域，連接在其上的網絡設備獨自享有全部帶寬，無須同其他設備競爭使用。此外交換機支持全雙工模式，能夠同時通過一個埠發送和接收幀。

集線器為共享式帶寬，連接在集線器上的任何一個設備發送數據時，其他所有設備必須等待，此設備享有全部帶寬，通訊完畢，再由其他設備使用帶寬。

工業交換機分為管理型交換機和非管理型交換機。非網管型交換機屬於數據鏈路層設備。

5幾個標準

5.1鏈路匯聚

又稱為埠聚合。鏈路匯聚指將多條物理鏈路（物理埠）聚合成一條邏輯上的鏈路（邏輯埠）（這條邏輯鏈路帶寬相當於物理鏈路帶寬之和），不單獨配置物理口，這些物理鏈路作為這個邏輯通道的成員，配置時只配置這個邏輯通道。交換機根據用戶配置的埠負荷分擔策略決定網絡封包從哪個成員埠發送到對端的交換機。
當交換機檢測到其中一個成員埠的鏈路發生故障時，就停止在此埠上發送封包，並根據負荷分擔策略在剩下的鏈路中重新計算報文的發送埠，故障埠恢復後再次擔任收發埠。
鏈路聚合在增加鏈路帶寬、實現鏈路傳輸彈性和工程冗餘等方面是一項很重要的技術。

5.2服務類別和服務質量

服務質量（Quality of Service，QoS）指一個網絡能夠利用各種基礎技術，為指定的網絡通信提供更好的服務能力，是網絡的一種安全機制, 用來解決網絡延遲和阻塞等問題的一種技術。
與傳輸的帶寬、傳送的時延、數據的丟包率相關。

服務類別 (Class of Service, CoS)就是讓數據享受不同待遇的一種機制，是服務質量控制標準的一部分。CoS為每個應用分配不同的傳輸狀態，從而使具有不同優先級的數據傳輸得到不同的對待。

二者區別
Cos只是QoS的一種標記機制。

5.3 其它

以下摘自西門子交換機配置手冊。

動態 MAC 老化 (Dynamic MAC Aging)
設備自動學習連接節點的源地址。 此信息用於將數據幀轉發到具體涉及的節點。這將減少其它節點的網絡負載。如果設備在特定時間內未收到源地址與學習的地址相匹配的幀，則設備會刪除學習的地址，這種機制稱為「Aging」。

DCP轉發
DCP （Discovery and basic Configuration Protocol）是發現和基本配置協議，屬於PROFINET 協議，用於發現無IP位址的節點，然後設置其IP位址、默認網關、子關掩碼。

LLDP
LLDP（Link Layer Discovery Protocol，鏈路層發現協議）是一種用來發現網絡拓撲的方法。 網絡組件使用 LLDP 與其相鄰設備交換信息。支持 LLDP 的網絡組件具有 LLDP 代理。 LLDP 代理會定期發送與其自身有關的信息，並從所連接設備接收信息。 接收到的信息存儲在MIB 中。

RMON
遠程監視 (RMON) 允許在設備上收集和準備診斷數據，並由同樣支持 RMON 的網絡管理站使用 SNMP 讀出診斷數據。

6交換機冗餘機制

通過構建冗餘網絡來保證工業網絡的可靠性，確保車間與控制中心任意一條通訊線路故障，工業網絡都能自動判斷和進行網絡重構。這種冗餘結構會形成環網冗餘，因此使用冗餘協議來防止環網中間形成廣播風暴。

——單環冗餘————

6.1生成樹

當一個交換機有兩個及以上的埠與其它交換機相連時，由於會產生冗餘鏈路，從而產生「拓撲環」，即當某個網段的數據包通過某臺交換機傳輸到另一個網段，而返回的數據包通過另一臺交換機返回源地址的現象（即網絡風暴）

下圖摘自https://blog.51cto.com/dengqi/1253320?source=drt
詳解生成樹協議(STP)

生成樹協議（英語：Spanning Tree Protocol，STP）基本應用是防止交換機冗餘鏈路產生的環路.用於確保乙太網中無環路的邏輯拓撲結構.從而避免了廣播風暴,大量佔用交換機的資源.
生成樹協議工作原理:任意一交換機中如果到達根網橋有兩條或者兩條以上的鏈路，生成樹協議都根據算法把其中一條切斷,僅保留一條，從而保證任意兩個交換機之間只有一條單一的活動鏈路。因為這種生成的這種拓撲結構很像是以根交換機為樹幹的樹形結構，故為生成樹協議。

——以下為西門子自有協議（ HRP MRP 冗餘 standby）——

6.2HRP

高速冗餘協議（HRP, High Redundancy Protocol)是適用於環型拓撲網絡的一種冗餘方法。 交換機通過環網埠互連。其中一臺交換機組態為冗餘管理器 (RM, Redundancy Manager)，其它交換機為冗餘客戶端。 冗餘管理器通過測試幀檢查環網以確保其沒有中斷；冗餘管理器通過環網埠發送測試幀並檢查其它環網埠是否接收到這些測試幀；冗餘客戶端轉發測試幀。

1正常情況下，從冗餘管理器埠發送的檢測幀被第二個環網埠接受，則說明環網正常。接下來數據只從接通埠發送數據。

2故障情況下，如果由於網絡中斷導致 RM 發送的測試幀無法到達其它環網埠，則 RM 將在自身的兩個環網埠之間切換並立即將切換情況通知給冗餘客戶端。環中斷後的重新組態時間最長為 0.3 秒。

一般使用HRP代替生成樹，因為HRP重組時間短，性能強。
如果要組成HRP，環中所有交換機都必須支持此功能。

6.3MRP

介質冗餘協議(MRP, Media Redundancy Protocol)，用於環網內與非西門子設備組態。

——環網間冗餘————

環網間如果沒有適當的協議就會產生環網，如果一個網絡節點向網絡中發送廣播，則該廣播會在環網間的環路中無限循環。幾秒之後，網絡負荷變高，以至於通訊無法進行。

6.4冗餘standby/備用冗餘

該協議是HRP的擴展。
分為備用主交換機（主動埠）和備用從交換機（被動埠）。
1正常情況下，環網中交換機第一次啟動，備用主交換機與備用從交換機會進行同步。 主交換機檢查它的所有備用埠是否都連接有鏈路。有鏈路，它會向備用從交換機發出就緒信號。 備用從交換機也檢查其備用埠，如果檢查成功完成，則向備用主交換機發送「就緒」信號。此時，備用主交換機的備用埠才開始啟用。 這就確保了啟動交換機時不產生環路。

2有兩種故障情況：耦合中斷和主交換機故障
2.1 耦合中斷：如果主交換機有備用埠檢測到中斷，則主交換機向從交換機發送「被動」幀。從設備收到信息後，切換鏈路。
2.2 主交換機故障：如果主交換機故障，則主交換機沒有向從交換機發送「主動」或「被動」幀。從設備由於未收到「主動」信息，會判斷主設備故障，從而切換鏈路。