1、EPA簡介EPA（Ethernet for Plant Automation）是在國家標準化管理委員、全國工業過程測量與控制標準化技術委員會的支持下，由浙江大學、浙江中控技術有限公司、中國科學院沈陽自動化研究所、重慶郵電學院、清華大學、大連理工大學、上海工業自動化儀表研究所、機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所、北京華控技術有限責任公司等單位聯合成立的標準起草工作組，經過3年多的技術攻關，而提出的基于工業以太網的實時通信控制系統解決方案。EPA實時以太網技術的攻關，以國家"863"計劃CIMS主題系列課題"基于高速以太網技術的現場總線控制設備"、"

2、;現場級無線以太網協議研究及設備開發"、"基于'藍牙'技術的工業現場設備、監控網絡其及關鍵技術研究"，以及 "基于EPA的分布式網絡控制系統研究和開發"、"基于EPA的產品開發仿真系統"等滾動課題為依托，先后解決了以太網用于工業現場設備間通信的確定性和實時性、網絡供電、互可操作、網絡安全、可靠性與抗干擾等關鍵性技術難題，開發了基于EPA的分布式網絡控制系統，首先在化工、制藥等生產裝置上獲得成功應用。在此基礎上，標準起草工作組起草了我國第一個擁有自主知識產權的現場總線國家標準用于工業測量與控制系統的EPA系統結

3、構與通信規范。同時，該標準被列入現場總線國際標準IEC 61158（第四版）中的第十四類型，并列為與IEC 61158相配套的實時以太網應用行規國際標準IEC 61784-2中的第十四應用行規簇（Common Profile Family 14,CPF14），標志著中國第一個擁有自主知識產權的現場總線國際標準EPA得到國際電工委員會的正式承認，并全面進入現場總線國際標準化體系。EPA關鍵技術1.       分布式精確時鐘同步基于IEEE 1588精確時鐘同步協議，EPA采用專利的時鐘同步技術，將網絡中各節點間時鐘同步精度控制在1us

4、之內，滿足時間同步要求高的應用場合。2.       確定性通信針對普通以太網的數據碰撞、報文傳輸延時和通信響應的不確定的問題，EPA采用基于專利的確定性通信調度技術，變“隨機發送”為“確定發送”，實現了通信“確定性”。將整個網絡數據的傳輸階段分為周期數據傳輸階段和非周期數據傳輸階段：     在周期數據傳輸時段，發明了基于角色平等的周期數據確定性傳輸調度方法；     在非周期數據傳輸時段，發明了基于優先級搶占式調度的非周期數據傳輸技術；通過該技術保證了

5、EPA控制網絡中數據傳輸的確定性。圖1EPA基于專利的確定性通信調度技術1 / 18EPA繼承了以太網的報文格式，即不增加以太網數據鏈路層服務和TCP/IP的接口參數，將以太網報文按一定的時序和優先級發送到網絡上，從而避免了報文沖突與碰撞，實現了工業數據傳輸的確定性。最為獨特的是，在EPA控制系統中，各設備的通信角色地位平等，無主從之分，任何一個設備的故障不會影響整個系統中其他設備的通信，避免了主從式、令牌式通信控制方式中由于主站或令牌主站的故障引起的整個系統通信的故障。3.       強實時性通信EPA基于專利的實時通信方法，將以

6、太網通信通道劃分為三個部分：同步實時通道、非同步實時通道和非實時通道（如圖2所示），其中：· 同步實時通道，用于傳輸有最高通信響應性能要求的同步數據傳輸，其優先級最高。 · 非同步實時通道，用于傳輸有較高通信響應性能要求的非同步數據傳輸，如組態數據等，其優先級次高。 · 非實時通道則用于傳輸HTTP等對通信實時性無特殊要求的標準以太網報文，其優先級最低。 實時數據得以優先傳輸，減少了通信排隊處理延遲，提高了工業以太網通信的實時性。 圖 2 EPA協議的實時通道RTE與EPA非實時通道示意圖4.     &

7、#160; 網絡可靠性與高可用性技術高可靠性與高可用性是工業控制網絡的關鍵，它要求在任一網絡故障下，系統能夠迅速探測到故障，并能在可接受的時間范圍內恢復正常。針對工業控制網絡高可靠性與高可用性的要求，EPA定義了DRP協議（EPA分布式冗余網絡協議）。對環形網絡，它是基于專利的主動并行故障探測技術，分散了故障風險，大大縮短了環形網絡自愈時間。對關鍵終端設備，EPA基于專利的數據并行傳輸與無擾動切換技術，實現了工作設備與備份設備的自動無擾動切換。圖 3 環型網絡故障探測與恢復示意圖         

8、0;    并行冗余網絡通信示意圖EPA標準體系1.EPA概述    EPA是Ethernet for Plant Automation的縮寫，是一種全新的基于實時以太網的技術，其適用于測量、控制等工業場合，是一種雙向、串行、多節點的開放實時以太網數字通信技術。包括EPA-RT(用于過程自動化)和EPA-FRT（用于工廠自動化）兩部分。是我國自主制定的第一項工業自動化國際標準。· 2006年5月8日，成為中國第一個擁有自主產權的現場總線國家標準（GB/T 20171-2006） · 2007年12月14日，成為中國

9、第一個擁有自主知識產權的新一代現場總線國際標準（IEC61158/ Type 14）2007年12月14日，成為工業自動化領域由中國主持制定的第一個實時以太網國際標準（IEC 61784-2 /CPF14）n         2007年，EPA冗余網絡協議DRP被接收為高可用性國際標準（IEC62439-6）· 2008年1月，EPA功能安全通信EPASafety被接收為功能安全國際標準（IEC61784-3-14）2008年5月，EPA線纜與安裝技術被接收為國際標準（IEC61784-5-14）

10、3; EPA標準體系包括EPA國際標準和EPA國家標準兩部分。 2.EPA國際標準體系族    EPA國際標準體系，包括1個核心技術國際標準和4個EPA應用技術標準。以EPA為核心的系列國際標準為新一代控制系統提供了高性能現場總線完整解決方案，可廣泛應用于過程自動化、工廠自動化（包括數控系統、機器人系統運動控制等）、汽車電子等，可將工業企業綜合自動化系統網絡平臺統一到開放的以太網技術上來。 基于EPA的IEC國際標準體系· EPA現場總線協議（IEC 61158/Type14）在不改變以太網結構的前提下，定義了專利的確定性通信協議，避免工業以太

11、網通信的報文碰撞，確保了通信的確定性，同時也保證了通信過程中不丟包。 · EPA分布式冗余協議DRP（IEC62439-6）針對工業控制以及網絡的高可用性要求，DRP（Distributed Redundancy Protocol）采用專利的設備并行數據傳輸管理和環網鏈路并行主動故障探測與恢復技術，實現了故障的快速定位與快速恢復，保證了網絡的高可靠性。 · EPA功能安全通信協議EPASafety (IEC61784-3-14)針對工業數據通信中存在的數據破壞、重傳、丟失、插入、亂序、偽裝、超時、尋址錯誤等風險，EPASafety功能安全通信協議采用專利的工業數據加解密方法

12、、工業數據傳輸多重風險綜合評估與復合控制技術，將通信系統的安全完整性水平提高到SIL3等級，并通過德國萊茵TÜV的認證。 · EPA實時以太網應用技術協議 (IEC61784-2/CPF14)定義了三個應用技術行規，即EPA-RT、EPA-FRT和EPA-nonRT。其中EPA-RT用于過程自動化，EPA-FRT用于工廠自動化，EPA-nonRT用于一般工業場合。 · EPA線纜與安裝標準(IEC61784-5-14)定義了基于EPA的工業控制系統在設計、安裝和工程施工中的要求。從安裝計劃，網絡規模設計，線纜和連接器的選擇、存儲、運輸、保護、路由以及具體安裝的實施

13、等各個方面提出了明確的要求和指導。  3.EPA國家標準體系族· 工業控制網絡安全風險評估規范（GB/T 20171.1-2006）(待出版) · 用于工業測量與控制系統的EPA協議一致性測試規范（GB/T 20171.2）（待出版） · 用于工業測量與控制系統的EPA互可操作測試規范（GB/T 20171.3）（待出版） · 用于工業測量與控制系統的EPA功能塊的技術規范（GB/T 20171.4）（待出版） · 用于工業測量與控制系統的EPA規范 第5部分：網絡安全規范（GB/T 20171.5）（待出版） · EPA實

14、時性測試規范（GB/T 20171.6）（待出版） EPA-RT技術簡介1          商業以太網應用于工業通信存在的主要問題以太網是指遵循IEEE802.3標準，可以在光纜和雙絞線上傳輸的網絡。當前以太網采用星型和總線型結構，傳輸速率為10Mb/s，100Mb/s，1000Mb/s或更高。以太網產生延遲的主要原因是沖突，其根源在于它所采用的CSMA/CD技術。在傳統的共享網絡中，由于以太網中所有的設備，采用相同的物理介質相連，這就意味著2臺或以上的設備同時發出信號時，就會出現信號間的互相沖突。為了

15、解決這個問題，以太網規定，在一個站點訪問介質前，必須先監聽網絡上有沒有其他站點在同時使用該介質，如果有則必須等待。由于網絡中存在信號傳輸延時，因此當2臺設備同時或相隔很短的時間內同時發送報文，就會出現同時訪問介質的情況，此時就發生了沖突。為了減少沖突發生的幾率，以太網常采用1-持續CSMA，非持續CSMA，P-持續CSMA的算法。 圖 1信道利用率S與信道負載量G關系圖由圖 1可知當網絡負荷較低時（G的取值在1附近）信道的利用率S較高。當網絡的負荷較高時（G4），有兩種情況出現：（1）P取值較大時（例如1和0.5），信道上會產生大量數據包沖突，許多數據包必須延時重發，從而導致信道的利用率急劇降

16、低，信道的通信能力也會大大降低；（2）P取值較低時或為0時，表面上信道的利用率S不會急劇下降，實際上我們由P取值很小可知，數據包立即發出的概率非常小（例如P=0.01），數據包很大可能會延時重發。綜合上述兩種情況可知，采用普通的Ppersistent CSMA算法，不管P的取值大小或為0，當網絡負荷較重時，都會造成大量數據包延時重發，這對實時性要求高的網絡尤其是工業控制網是不能忍受的。以太網成本比工業網絡低，技術透明度高，特別是它遵循IEEE802.3協議為各現場總線廠商大開了方便之門。但是，由于以太網是以辦公自動化為目標設計的，并不完全符合工業環境和標準的要求，將傳統的以太網用于工業領域還存

17、在著明顯的缺陷。要使以太網符合工藝上的要求，還必須克服以下缺陷。1.1        確定性問題由于以太網的MAC層協議是CSMA/CD，該協議使得在網絡上存在沖突，特別是在網絡負荷過大時，更加明顯。對于一個工業網絡，如果存在著大量的沖突，就必須得多次重發數據，使得網間通信的不確定性大大增加。而對于后來發展的基于交換機的全雙工以太網來說，雖然可以丟棄CSMA/CD的機制而不產生報文沖突，但是仍舊存在不確定的問題。考慮如下情況，當一個網段中有很多設備（例如5000個）正好在同一時刻都發出了報文，并且目的地址是同一個，那么對于與

18、之相連的交換機來說，只能是將這些報文緩存成隊列，然后一個一個將其轉發出去，那么排在隊列頭和尾的報文的達到時間就至少相差5000個報文的發送時間，這對于工業控制網絡來說是一個非常大的不確定性。在工業控制網絡中這種從一處到另一處的不確定性，必然會帶來系統控制性能的降低。要想將以太網真正應用到工業控制領域，報文傳輸的不確定性必須得到解決。因此，急需找到一種保證報文傳輸通暢、確定的有效方法。1.2        實時性問題在工業控制系統中，實時可定義為系統對某事件的反應時間的可測性。也就是說，在一個事件發生后，系統必須在一個可以準確

19、預見的時間范圍內做出反映。同時，工業上對數據的傳遞的實時性要求十分嚴格，數據的更新通常要求在數十毫秒甚至數百微秒內完成。由于以太網存在的CSMA/CD機制，它的基本工作原理是：某節點要發送報文時，首先監聽網絡，如網絡忙，則等到其空閑為止，否則將立即發送；如果兩個或更多的節點監聽到網絡空閑并同時發送報文時，它們發送的報文將發生沖突，因此每個節點在發送時，還必須繼續監聽網絡。當檢測到兩個或更多個報文之間出現碰撞時，節點立即停止發送，并等待一段隨機長度的時間后重新發送。該隨機時間將由標準二進制指數補償算法確定。重發前的時間在0（2i-1）之間的時間片中隨機選擇（此處i代表被節點檢測到的第i次碰撞事件

20、），一個時間片為重發循環所需的最小時間。但是，在10次碰撞發生后，該間距將被凍結在最大時間片（即1023）上，16次碰撞后，控制器將停止發送并向節點微處理器回報失敗信息。以太網上存在的沖突問題，影響了以太網的數據吞吐量和傳輸延時，并導致以太網實際性能的下降。在一系列沖突后，報文可能會丟失，因此節點與節點之間的通信將無法得到保障。這種影響對有實時要求的控制系統尤為嚴重。很明顯以太網的解決沖突的機制是以付出時間為代價的。而且一但出現數據的延時，那怕是僅僅幾秒種的時間，就有可能造成整個生產的停止甚至是設備，人身安全事故。特別的，在強實時控制系統中（如中、高端數控系統、機器人等），數據交互周期短、速度

21、快、網絡負荷高、同步精度要求高，在這樣的環境下CSMA/CD機制會導致網絡通信持續沖突，實時數據難以發送成功。正是由于上述原因，以太網以前沒有能夠在實時性要求較高的現場設備通信領域得到應用。2          工業以太網在解決通信不確定性方面存在的問題通信不確定性是以太網進入工業控制領域的最大障礙。控制網絡最大特點在于控制系統對其的實時性要求。實時控制往往要求對某些變量的實時互鎖，對測量控制數據的正確定時刷新。目前工業以太網技術對此采取以下措施：(1)     提

22、高通信速率；(2)     減小系統規模，控制網絡負荷；(3)     采用以太網的全雙工交換技術；(4)     采用基于IEEE 802.3p的優先級技術；(5)     采用基于IEEE 803.3q的VLAN技術。采用上述措施可以使其不確定性問題得到相當程度的緩解，但不能從根本上解決以太網通信不確定性的問題。對于第（1）和第（2）種措施，無論是提高以太網通信速率，還是減小系統規模，降低網絡負荷，都是減小以太網報文碰撞的機率。也就

23、是說，控制系統中，任何一個設備發送數據時，仍然有可能發生報文碰撞，并導致實時測量、控制數據不能及時發送出去。而采用第（3）種措施時，只是在以太網節點和與其相連接的交換機端口之間，發送和接收數據采用了不同通信通道，避免了碰撞。但不能避免多個設備同時向某一設備發送數據時的報文阻塞問題。對于第（4）種措施，采用基于IEEE 802.3p的優先級技術可在一定程度上解決了不同優先級的報文之間傳送的時序問題。但由于IEEE 802.3p只規定了7個優先級水平，對于規模較大的系統來說，現場的測量、控制數據傳送是遵循“最新即最好”（Latest is best）的原則，現場所有的測量、控制數據發送的優先級都相

24、同，仍然會出現報文碰撞和阻塞的問題。為此，一些實時以太網系統采用主/從式輪詢通信機制來解決以太網通信不確定性問題。即一個系統中有一個設備充當主機，其他設備充當從機。主機可以在任何時候發送數據請求命令，并接收響應。而從機即不能主動發送數據，只能接收主機發出的請求。一旦接收到主機請求，即將本地要發送的數據作為響應，發送到主機。在這種主從式通信方式中，雖然每個設備仍然采用CSMA/CD媒體訪問控制機制，但由于在任一時刻，只有一個設備（無論是主機或從機）向網絡上發送數據，因此從根本上避免了以太網報文沖突，使以太網通信變得“確定”。在這種主從式輪詢通信機制中，都是由主機通過輪詢掃描的方式，從現場設備中采

25、集數據，并將控制信息發送出去。當系統規模較大時，系統輪詢的周期就會很長，而不能適應系統的控制性能要求。另一方面，在這種主從式輪詢通信機制中，一旦主機發生故障，將導致整個系統的癱瘓。對于第（5）種措施，VLAN是一種將局域網（LAN）設備從邏輯上劃分（注意，不是從物理上劃分）成多個網段（或者說是更小的局域網LAN），從而實現虛擬工作組（單元）的數據交換技術。這一技術主要應用于交換機和路由器中，目前主流應用還是在交換機之中，但并不是所有交換機都具有此功能。VLAN的好處主要有三個： (1)     端口的分隔。即便在同一個交換機上，處于不同VLAN的端口也是

26、不能通信的。這樣一個物理的交換機可以當作多個邏輯的交換機使用。 (2)     網絡的安全。不同VLAN不能直接通信，杜絕了廣播信息的不安全性。(3)     靈活的管理。更改用戶所屬的網絡不必換端口和連線，只更改軟件配置就可以了。但是，由于VLAN技術主要基于交換機技術實現，與第（3）中措施存在同樣的問題，即不能避免多個設備同時向某一設備發送數據時的報文阻塞問題。3          EPA-RT技術簡介基礎3.1 

27、;       工業網絡的通信特點工業控制網絡是一種典型的實時應用系統，其中的任務（如功能塊的執行）通常按照一定的時間間隔觸發，并且對任務的執行時間具有截止期要求，這種任務稱為周期性任務。實時應用系統中還有一種任務，這種任務只有在特定的事件觸發下才出現，例如設備配置、故障診斷、程序的上載/下載、運行記錄、報警處理等，這類任務稱為非周期性任務，非周期性任務是隨機觸發的。這兩種任務反映在工業控制網絡的通信上，就是兩類通信信息：周期性通信信息和非周期性通信信息。周期性信息是實時信息，非周期信息是非實時信息，周期性通信信息和非周期性通信信息具

28、有不同的時間特性。而且，周期信息通常具有較高的優先級。一旦系統組態完成，周期性通信信息的發送就具有時間確定性。而非周期性通信信息往往是突發信息，在時間上是不確定的。3.2        基于角色平等的確定性通信調度模型針對工業控制這種數據傳輸類型的特點，本研究中，將通信周期分為周期數據發送和非周期數據發送兩個階段；對周期性通信信息數據設計了分時調度方法，各設備基于IEEE 1588實現精確時間同步，在周期數據發送階段，根據組態配置自動計算，只有在其發送數據的起始時間到的時候，才發送周期數據，使其滿足對時間有嚴格要求的控制數據

29、的傳輸需要；對非周期通信信息數據設計了基于優先級的調度方法，設備自動計算本設備非周期數據在本網段內的優先級，依優先級大小發送非周期數據，避免了以太網通信報文碰撞，確保優先級高的報文，例如報警信息得到優先發送，而又不至于影響有嚴格時間要求的周期數據通信。實現分時調度的前提是網絡上每臺設備的時間一致性。首先在組態軟件根據各個設備的設備描述文件和系統的控制的構架下，對每個網路設備分配一定的網絡時間。然后將組態信息下載到網絡設備。圖 2確定性通信調度示意圖在一個現場微網段內，所有EPA設備的通信均按周期進行，完成一個通信周期所需的時間T稱為一個通信宏周期（Communication Macro Cyc

30、le）。一個通信宏周期T分為兩個階段，其中第一個階段為周期報文傳輸階段Tp，第二個階段為非周期報文傳輸階段Tn（如圖 2所示）。在周期報文傳輸階段Tp，每個EPA設備向網絡上發送的報文是包含周期數據的報文。周期數據是指與過程有關的數據，如需要按控制回路的控制周期傳輸的測量值、控制值，或功能塊輸入、輸出之間需要按周期更新的數據。周期報文的發送優先級應為最高。在非周期報文傳輸階段Tn，每個設備向網絡上發送的報文是包含非周期數據的報文。非周期數據是指用于以非周期方式在兩個通信伙伴間傳輸的數據，如程序的上下載數據、變量讀寫數據、事件通知、趨勢報告等數據，以及諸如ARP、RARP、HTTP、FTP、TF

31、TP、ICMP、IGMP等應用數據。非周期報文按其優先級高低、IP地址大小及時間有效方式發送。所有EPA微網段內的網絡設備先進行時間同步，在時間同步的基礎上根據時間組態信息進行分時的網絡通信調度。3.3        EPA通信模型的技術特點為了實現確定性通信，在每個設備通信棧軟件的數據鏈路層之上，增加基于角色平等的分時調度控制方法。將通信周期分為周期數據發送和非周期數據發送兩個階段。各設備基于IEEE 1588實現精確時間同步，在周期數據發送階段，根據組態配置自動計算，只有在其發送數據的起始時間到的時候，才發送周期數據；在

32、非周期數據發送階段，自動計算本設備非周期數據在本網段內的優先級與IP地址，依優先級和IP地址大小發送非周期數據，避免了以太網通信報文碰撞。本方法的特點是，各設備的通信角色地位平等，無主從之分，任何一個設備的故障不會引起整個系統中其他設備的通信，避免了主從式、令牌式通信控制方式中由于主站或令牌主站的故障引起的整個系統通信的故障。本方法的另一個重要特點是，適用于線性結構、共享式集線器連接和交換式集線器（交換機）連接的以太網。分布式高可用網絡技術DRP1.        引言近年來，工業以太網在工業通信中應用日益廣泛。工業以太網成

33、功應用的一個主要原因是其標準化程度高，不同設備供應商的產品可以方便的實現互操作。根據ARC咨詢集團在2007年發布的數據顯示：包括以太網交換機、媒體轉換器、服務器在內的以太網基礎設施將在未來的幾年內保持高速增長。用戶在應用以太網廉價、方便、集成度高的優勢的同時，對以太網提出了新的要求。50的用戶希望的工業以太網的可用性達到99.99。假設故障恢復時間為100分鐘，那么允許故障的概率為每10年發生一次故障，此時系統的可用性達到99.9%。本文從分析工業以太網可能 出現的各種故障和工業應用提出的高可用性要求入手，重點介紹現有IEC高可用性工業以太網國際標準IEC62439中包含的工業以太網高可用性

34、技術和方法，協議。2.        工業應用高可用性需求相對于普通以太網的可用性要求，應用于工廠自動化和精密運動控制的驅動器間通信的工業以太網需要滿足最苛刻的性能要求。由于高精度的加工生產需要測量和控制裝置安全可靠，工業以太網網絡要求具有最嚴格的可用性要求。一個工業現場可以接收的自動化系統只在很短的時間失效稱為一個故障寬限期。為了保證工業現場的連續運行，工業以太網故障恢復時間要小于故障寬限期。表 1為國際電工委員會IEC定義的典型應用的寬限期時間。表 1不同應用的寬限時間1 應用典型寬限時間企業資源管理系統20秒離散控制，

35、自動化管理系統2秒連續控制，電力系統自動化200毫秒運動控制，關鍵同步自動化設備20毫秒3.        故障類型根據不用工業應用提出的高可用性要求，首先從工業以太網中可能出現的故障入手。工業以太網中出現的故障，有三分之一與IT信息領域出現的故障相類似。根據ISO/OSI七層模型逐一進行分析，物理層故障主要表現為通信線纜故障或者設備的網絡接口故障，這類故障主要通過上層協議實現故障檢測，并進行故障恢復。數據鏈路層故障的主要原因是管理型交換設備的誤組態，導致設備轉發表（FDB）故障。此外，還可能出現交換設備中管理單元的故障，其

36、可能的原因是管理單元設計存在不可避免的漏洞。此外，還有一種不可避免的故障時由于現場雷擊等惡劣環境導致的數據幀在傳輸過程中的損壞，當損壞的數據包在到達接收端時，接收糾錯校驗將發現這種數據幀錯誤并丟棄該數據幀。各類故障的概率如表 2所示。表 2 不同層次故障概率2 ISO/OSI層次故障概率物理層20%數據鏈路層10%網絡層25%傳輸層15%會話層5%表示層5%應用層20% 針對現有EPA、ProfiNET、FF HSE等工業以太網中網絡層、傳輸層、會話層、表示層都被簡化的特點，IEC62439定義將工業以太網的高可用性實現重點放在物理層和數據鏈路層的故障探測和恢復上。IEC62439-

37、6為我國自主制定的分布式高可用性網絡協議DRP。DRP通過分布式的故障探測，實現工業以太網的高可用性。4.        DRP協議原理4.1.       基于DRP的環形網絡系統結構如圖 2所示，基于DRP的環形網絡系統中，所有交換設備首尾相連，構成一個環形結構，工業控制系統中的終端設備接入到環上的某一任意交換設備，通過該環網實現數據交互。  圖 2基于DRP的環形網絡控制系統結構在環形網絡中，環形網絡系統中普遍采用禁用備用路徑的方式，從而避

38、免了由于數據在環網內無休止的回環，形成廣播風暴8 。圖 1中交換設備1與交換設備8之間，在物理上存在通路，但是，該物理通路不進行數據傳輸，在邏輯上形成斷路。因此，該環形拓撲在邏輯上退化為線性結構，有效的避免了廣播風暴的產生。正是由于該邏輯上斷路的存在，圖 1中終端設備1發送的數據幀需要依次經過交換設備1、2、3、4、5、6、7、8的中順時針方向中繼后，才能被終端設備3接收，而終端設備3的數據幀依次經過交換設備8、7、6、5、4的逆時針方向中繼后，傳輸到終端設備2。在交換設備或者交換設備間的物理連接出現故障的情況下，DRP協議實現快速的故障探測和恢復，通過將原先系統中邏輯上的斷路恢復為通路，保證

39、環網上所有設備間的數據通信。如圖 2所示，在系統中交換設備5和6之間的物理連接出現故障的情況下，DRP協議實現快速的故障探測，并將交換設備1和8之間的邏輯斷路恢復為通路，實現故障恢復，保證此時環網系統中所有節點間的正常通信。 圖 2故障恢復后的環形網絡控制系統結構圖 2中故障恢復后，終端設備1、3之間的數據通信轉而經過交換設備1、8的逆時針方向中繼，而終端設備3、2之間的數據傳輸，通過的數據鏈路是交換設備8、1、2、3、4的順時針方向。4.2.       DRP的故障探測和恢復機理4.2.1.   &#

40、160;  定義對交換設備接入到環形網絡中的端口進行如下的定義:通信鏈路故障：組成環形網絡的交換設備間的物理鏈路或者交換設備中交換芯片故障，導致網絡數據無法正常傳輸。交換設備管理模塊故障：組成環形網絡的交換設備中管理模塊故障，導致交換設備管理功能無法正常實現。阻塞狀態：處于阻塞狀態的端口僅僅轉發DRP協議定義的幀，其他所有數據幀均被丟棄。如圖 1中交換設備1的B端口所示。轉發狀態：處于轉發狀態的端口，所有的數據幀均被轉發，如圖 1中交換設備2中F端口所示。備用鏈路：阻塞狀態端口所連接的物理鏈路，稱為備用鏈路。如圖 1中交換設備1和8之間的鏈路為備用鏈路。工作鏈路：鏈路兩端的交換設備的

41、端口均處于轉發狀態，稱該鏈路為工作鏈路。如圖 1中交換設備1和8之間的鏈路以外的所有鏈路均為工作鏈路。冗余切換：在發生故障的情況下，備用鏈路轉變為工作鏈路，保證環形網絡系統中所有設備在故障情況下的正常通信，該數據傳輸鏈路切換過程成為冗余切換。4.2.2.      故障探測及恢復方法在DRP環形網絡中，通信時間被分成多個Macrocycles，標記為TMacrocycle。組成環形網絡的的所有交換機分別維護一個本地時間，并根據IEEE1588協議將本地時間同步到整個環形網絡中唯一的主設備，實現全網絡時鐘的統一10 ，結合組態信息，實現全網絡的M

42、arcocycle的統一。在此基礎上，為了實現快速的故障探測和恢復，DRP采用主動的鏈路探測技術，分別針對交換設備管理模塊故障和通信鏈路故障進行探測，并根據故障探測的結果實現快速的故障切換。利用以太網全雙工數據傳輸的特點，在一個Macrocycle內，組成環形網絡的每個交換設備節點在每個Marcocycle起始時間，發送LinkCheck幀，進行一次故障探測，根據檢查結果，故障恢復，如圖 3所示。 圖 3 DRP故障探測和恢復機理.   交換設備管理模塊故障DRP交換設備主動探測環形網絡中交換設備的管理沒夸故障，在每個Marcocycle的起始時間，網絡中所有DRP交換設備通過其兩個環路端口，同時向與之相鄰的左右兩個交換設備主動地發送LinkCheck探測幀，如圖 4所示，交換設備4發生管理模塊故障。該幀中包含設備的健康狀況、端口健康狀況、鏈路健康狀況等信息。設備在發送給幀的同時，等待接收來自相鄰設