1 問題描述
隨著以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的大量普及，工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場的規(guī)模逐步擴(kuò)大，如圖 1 網(wǎng)絡(luò)，除了傳統(tǒng)的工業(yè)控制設(shè)備外，例如高清攝像頭等視頻系統(tǒng)也會連接在現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)中。而類似高清攝像頭等此類設(shè)備，數(shù)據(jù)流量很大，會占用大量的帶寬，如果不對網(wǎng)絡(luò)加以管理，有可能造成網(wǎng)絡(luò)的堵塞，嚴(yán)重的影響通訊。
<圖 1 網(wǎng)絡(luò)>
2 測試
對于大數(shù)據(jù)流量對帶寬的占用，我們可能無法很直觀的體會出來，這里我們通過一個(gè)測試：通過 SNMP 軟件(簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)觀察 PLC 端口的輸入流量。如圖 2，這里使用的是 ZOHO（卓豪）公司的 ManageEngine 網(wǎng)絡(luò)管理軟件。
ManageEngine 網(wǎng)絡(luò)管理軟件可以通過 SNMP 協(xié)議訪問 PLC 以太網(wǎng)接口的 MIB 變量，“ifInOctets”/“ifOutOctets”分別表示端口的輸入/輸出字節(jié)數(shù)。
<圖 2 SNMP 管理軟件>
如圖3，在網(wǎng)絡(luò)上沒有大數(shù)據(jù)流量時(shí)，輸入（紅色）/輸出（綠色）端口狀態(tài)曲線。
<圖 3 PLC 端口一般狀態(tài)的趨勢圖>
如果此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中接入視頻信號，比如 VLC 播放器，可以通過組播發(fā)送數(shù)據(jù)流，如圖 4。通過 Wireshark 的軟件抓包可以看到，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)上會有大量的 UDP 組播數(shù)據(jù)包存在，如圖5。
<圖 4 VLC 發(fā)送組播數(shù)據(jù)流>
<圖 5 組播數(shù)據(jù)流>
這樣的情況下，網(wǎng)絡(luò)中如果使用了不支持組播管理的交換機(jī)（比如 Scalance X300 以下）；或者交換機(jī)支持組播管理，但是沒有激活。組播報(bào)文將會以泛洪的形式在交換機(jī)的每個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)。
對于 PLC 的端口，很顯然并不會作為視頻的最終用戶，但是此時(shí)也會收到組播數(shù)據(jù)包。如圖6，接收到組播數(shù)據(jù)流的 PLC 端口流量趨勢圖，端口的流量會有很明顯的增加。那可以試想，如果此時(shí)接入的是數(shù)據(jù)流更大的高清視頻，而且是很多路，則帶來的后果可想而知。
<圖 6 PLC 端口接收到組播的趨勢圖>
3 解決方案
因此，為了解決上面測試中 UDP 組播數(shù)據(jù)包泛洪轉(zhuǎn)發(fā)的問題，首先應(yīng)該在選型中使用支持組播管理的交換機(jī)。SCALANCE X 交換機(jī)在組播管理上使用 “IGMP Snooping”功能，通過對交換機(jī)端口接收到的 Report 報(bào)文進(jìn)行分析，并在交換機(jī)中建立相應(yīng)的組播 MAC 地址與端口的對應(yīng)表項(xiàng)，從而實(shí)現(xiàn)組播數(shù)據(jù)包的二層快速轉(zhuǎn)發(fā)靜態(tài)指定。
如圖 7，在交換機(jī)管理頁面中激活“IGMP Snooping”功能；如果網(wǎng)絡(luò)中有多臺交換機(jī)，至少有一臺激活“IGMP Querier”，如圖 8。
<圖 7 SCALANCE X 交換機(jī)“IGMP Snooping”>
<圖 8 SCALANCE X 交換機(jī)“IGMP Querier”>
此時(shí)，如圖 9，在交換機(jī)會生成組播 MAC 地址和端口的對應(yīng)表，組播報(bào)文只會在成員的端口上轉(zhuǎn)發(fā)。
<圖 9 SCALANCE X 交換機(jī)“Multicast Groups”>
也可以在交換機(jī)“Blocking Mask”中，如圖 10，禁止某個(gè)端口上轉(zhuǎn)發(fā)未知的組播報(bào)文來抑制組播的泛洪轉(zhuǎn)發(fā)。
<圖10 SCALANCE X 交換機(jī)“Blocking Mask”>
4 總結(jié)
通過上面的分析，不難看出大數(shù)據(jù)流量對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的影響，因此必須對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化和管理，可以在以下方面注意：
如圖 11，通過 VLAN 劃分廣播域，減小不必要的廣播報(bào)文
<圖 11 交換機(jī)劃分 VLAN>
- VLAN， IGMP Snooping 無法減小骨干網(wǎng)的帶寬占用 ，如果骨干網(wǎng)帶寬占用過大，會導(dǎo)致 MRP 的探測幀無法及時(shí)傳遞，影響環(huán)網(wǎng)狀態(tài)。必要時(shí)考慮采用最高 10G 環(huán)網(wǎng)
- 大數(shù)據(jù)量的視頻系統(tǒng)剝離控制系統(tǒng)
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