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「工控技術(shù)」如何減少大數(shù)據(jù)量對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的影響(工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制)

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,嚴重的影響通訊。

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<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)。

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<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,輸入(紅色)/輸出(綠色)端口狀態(tài)曲線。

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<圖 3 PLC 端口一般狀態(tài)的趨勢圖>

如果此時,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,此時網(wǎng)絡(luò)上會有大量的 UDP 組播數(shù)據(jù)包存在,如圖5。

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<圖 4 VLC 發(fā)送組播數(shù)據(jù)流>

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<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(比如 Scalance X300 以下);或者交換機支持組播管理,但是沒有激活。組播報文將會以泛洪的形式在交換機的每個端口轉(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。

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<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。SCALANCE X 交換機在組播管理上使用 “IGMP Snooping”功能,通過對交換機端口接收到的 Report 報文進行分析,并在交換機中建立相應(yīng)的組播 MAC 地址與端口的對應(yīng)表項,從而實現(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,在交換機管理頁面中激活“IGMP Snooping”功能;如果網(wǎng)絡(luò)中有多臺交換機,至少有一臺激活“IGMP Querier”,如圖 8。

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<圖 7 SCALANCE X 交換機“IGMP Snooping”>

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<圖 8 SCALANCE X 交換機“IGMP Querier”>

此時,如圖 9,在交換機會生成組播 MAC 地址和端口的對應(yīng)表,組播報文只會在成員的端口上轉(zhuǎn)發(fā)。

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<圖 9 SCALANCE X 交換機“Multicast Groups”>

也可以在交換機“Blocking Mask”中,如圖 10,禁止某個端口上轉(zhuǎn)發(fā)未知的組播報文來抑制組播的泛洪轉(zhuǎn)發(fā)。

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<圖10 SCALANCE X 交換機“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文

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<圖 11 交換機劃分 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 的探測幀無法及時傳遞,影響環(huán)網(wǎng)狀態(tài)。必要時考慮采用最高 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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