在自動(dòng)化控制、軌道交通、電網(wǎng)調(diào)度等領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性關(guān)乎全局安全。一旦出現(xiàn)通信中斷，可能導(dǎo)致生產(chǎn)停滯、數(shù)據(jù)丟失，甚至引發(fā)安全事故。為了應(yīng)對(duì)各種潛在風(fēng)險(xiǎn)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中通常會(huì)引入一項(xiàng)“隱形卻關(guān)鍵”的能力——網(wǎng)絡(luò)冗余機(jī)制。

本文將帶你了解，在一臺(tái)高性能工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)中，究竟有哪些常見(jiàn)且實(shí)用的冗余手段，這些技術(shù)又是如何在背后默默守護(hù)我們的工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的。

什么是“網(wǎng)絡(luò)冗余”？

通俗來(lái)說(shuō)，冗余就是給系統(tǒng)留后路。當(dāng)一條網(wǎng)絡(luò)鏈路或設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，另一條備用路徑能夠迅速頂上，保證通信不中斷。對(duì)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)而言，這不只是“錦上添花”，而是穩(wěn)定運(yùn)行的生命線。

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)中的核心節(jié)點(diǎn)，早已不只是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器，更承擔(dān)著鏈路冗余的“大腦”角色，負(fù)責(zé)監(jiān)控、判斷并快速切換路徑，確保故障不過(guò)傳、不擴(kuò)散。

八種主流網(wǎng)絡(luò)冗余方案，哪個(gè)最適合你？

1. 生成樹(shù)協(xié)議系列（STP/RSTP/MSTP）

這是較早用于以太網(wǎng)中的環(huán)網(wǎng)保護(hù)機(jī)制。通過(guò)阻斷某些環(huán)路路徑來(lái)防止廣播風(fēng)暴，故障時(shí)再開(kāi)啟備用路徑。盡管切換速度有限，但其兼容性強(qiáng)、部署簡(jiǎn)單，仍在很多傳統(tǒng)系統(tǒng)中被廣泛使用。

2. ERPS：工業(yè)級(jí)環(huán)網(wǎng)保護(hù)的常青樹(shù)

ERPS是專為工業(yè)場(chǎng)景設(shè)計(jì)的快速環(huán)網(wǎng)保護(hù)協(xié)議，切換時(shí)間可縮短到50毫秒左右，適用于監(jiān)控、交通、風(fēng)電等需要快速恢復(fù)的環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。相比普通生成樹(shù)，它更穩(wěn)定、響應(yīng)更快。

3. MRP：自動(dòng)化系統(tǒng)的標(biāo)配冗余

如果你正在使用PROFINET設(shè)備，比如西門子的PLC，那MRP可能是你“最順手”的選擇。它可以在出現(xiàn)鏈路問(wèn)題時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉環(huán)、快速恢復(fù)，特別適合工廠內(nèi)環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4. PRP：雙網(wǎng)并行，不懼任何單點(diǎn)故障

PRP的設(shè)計(jì)思路很簡(jiǎn)單但極其可靠：數(shù)據(jù)同時(shí)走兩條完全獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)鏈路，只要其中一條能通，系統(tǒng)就能正常通信。這意味著它幾乎實(shí)現(xiàn)了“0切換時(shí)間”。唯一的前提是，現(xiàn)場(chǎng)必須具備“雙網(wǎng)”環(huán)境。

5. HSR：無(wú)縫冗余不走尋常路

與PRP的“雙線并行”不同，HSR通常構(gòu)建在一個(gè)環(huán)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是通信設(shè)備也是中繼站。一旦路徑中某處斷鏈，數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)選擇另一方向傳輸，整個(gè)過(guò)程對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)“無(wú)感知”。

6. 鏈路聚合：帶寬加冗余雙管齊下

鏈路聚合更像是“雙保險(xiǎn)”：一方面將多個(gè)物理鏈路“打包”為一條大帶寬的邏輯鏈，提升整體速率；另一方面也能在某一鏈路異常時(shí)自動(dòng)切換，維持?jǐn)?shù)據(jù)通暢。適合工業(yè)數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用，比如視頻采集與大數(shù)據(jù)傳輸。

7. 雙上聯(lián)結(jié)構(gòu)：簡(jiǎn)潔但實(shí)用的接入冗余方式

很多工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的接入層交換機(jī)會(huì)采用雙上聯(lián)方式連接到核心設(shè)備。這種架構(gòu)簡(jiǎn)單、高效，尤其在使用支持鏈路狀態(tài)檢測(cè)和自愈機(jī)制的交換機(jī)時(shí)，切換也能非常迅速。

8. Bypass冗余：當(dāng)交換機(jī)自己“退出”時(shí)

這是一個(gè)非常值得單獨(dú)講講的冗余機(jī)制。

在一些遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站、高速公路ETC現(xiàn)場(chǎng)或油氣管道監(jiān)控點(diǎn)，我們會(huì)部署一種Bypass工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，也被稱作光保護(hù)交換機(jī)。它的特別之處在于：即使交換機(jī)掉電或發(fā)生嚴(yán)重故障，也能通過(guò)內(nèi)部電路將上游與下游鏈路直接打通，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“物理旁路”。

比如光路科技推出的Bypass交換機(jī)系列，就支持自動(dòng)檢測(cè)光信號(hào)狀態(tài)與設(shè)備電源狀態(tài)，在必要時(shí)進(jìn)行毫秒級(jí)旁路切換，保障關(guān)鍵鏈路不掉線，非常適合應(yīng)用于那些無(wú)人值守、維修成本高的場(chǎng)所。

哪種網(wǎng)絡(luò)冗余方式更適合你？

選擇哪種冗余方案，取決于你所在行業(yè)的通信實(shí)時(shí)性、可靠性要求、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模以及設(shè)備兼容性。以下是一個(gè)簡(jiǎn)要建議：

• 設(shè)備兼容優(yōu)先？ 選MRP、RSTP；
  
• 極致可靠性？ 選PRP或HSR；
  
• 帶寬也很關(guān)鍵？ 選鏈路聚合（LACP）；
  
• 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)無(wú)人值守？ 強(qiáng)烈推薦Bypass交換機(jī)；
  
• 多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)？ 雙上聯(lián) + 快速環(huán)網(wǎng)組合最穩(wěn)妥。
  

寫在最后

除了協(xié)議和鏈路級(jí)冗余，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)本身通常還具備雙電源輸入、看門狗定時(shí)器、光電混合冗余接口、電源模塊冗余等硬件冗余。

在構(gòu)建現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，僅有高速和可擴(kuò)展性是不夠的，網(wǎng)絡(luò)的可用性、穩(wěn)定性甚至容錯(cuò)能力，才是工業(yè)通信的真正底氣。這些看似“隱藏”的冗余機(jī)制，其實(shí)在每一次鏈路中斷、每一次設(shè)備掉電時(shí)，都在悄悄保護(hù)著整張網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

當(dāng)你在選擇工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)時(shí)，除了關(guān)注端口數(shù)、傳輸速率，更該關(guān)心它是否支持多種冗余協(xié)議，是否具備諸如Bypass這樣的應(yīng)急機(jī)制——這些才是支撐工業(yè)通信長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵力量。