1 以太網中的廣播風暴

若未實施環網管理，網絡環網極有可能觸發網絡風暴。當非管理型交換機接收到廣播數據包或組播數據包時，會將其從除接收端口外的其余所有端口進行轉發。

在存在環網的網絡環境中，廣播數據包和組播數據包會被持續不斷地重復轉發，進而引發廣播風暴。一旦廣播風暴形成，網絡吞吐量便會急劇下降。隨著風暴的加劇，網絡帶寬會被循環傳輸的這些數據包迅速占據，直至100%的帶寬都被用于此，最終導致網絡性能急劇惡化，陷入近乎癱瘓的狀態。

對于任務關鍵型網絡應用而言，冗余通信路徑（即冗余介質）通常是必不可少的，以確保在主路徑丟失時仍能維持通信。然而，當采用介質冗余時，通常一次只能激活一條路徑。一種常見的解決方案是預先準備一根未連接的備用電纜，以便在主電纜損壞時使用。但這種方法的缺點在于，它需要人工介入來完成切換和修復，這無疑增加了故障恢復的時間和復雜性。

2 IEEE生成樹協議和快速生成樹協議

IEEE生成樹協議（STP）專門設計用于檢測網絡環路，并在引發廣播風暴之前將其阻斷，從而確保網絡的穩定運行。STP還具備自動切換功能，能夠在主鏈路發生故障時無縫激活冗余鏈路，保障網絡的高可用性和連續性。

生成樹協議（STP）通過將交換機上的某些端口置于阻塞狀態，阻止這些端口轉發或接收標準以太網幀，從而有效避免環路引發的網絡問題。唯一的例外是STP的BPDU（橋接協議數據單元）數據包。BPDU用于計算網絡中的最短路徑，并作為心跳信號檢測環路連接是否完整。

當主路徑發生故障時，生成樹協議需要一定時間來檢測故障，并解除阻塞端口以建立繞過故障點的備用路徑。這一過程所需的時間被稱為環路的“自愈時間”。在STP協議中，自愈時間通常為30至120秒。而在大型網絡中，STP的恢復時間可能會延長至5分鐘。

快速生成樹協議（RSTP）自動阻塞了一條路徑

生成樹協議（STP）由IEEE于1990年正式標準化為802.1D標準。1998年，IEEE進一步推出了快速生成樹協議（RSTP，即802.1W），其網絡拓撲收斂時間大幅縮短至1-2秒。STP和RSTP均為開放標準，已被眾多交換機制造商廣泛采用，包括N-Tron在內的眾多廠商均在其管理型交換機產品中實現了這些協議。

RSTP的快速自愈能力在企業網絡中表現出色，因為幾秒鐘的網絡延遲通常不會對業務造成顯著影響。然而，在工業控制網絡中，即使是1秒的通信中斷也可能引發嚴重問題。工廠自動化應用通常涉及對實時性要求極高的設備，這些設備需要更快的故障切換時間，以確保被控制過程的安全運行并防止因故障導致的昂貴停機時間。可編程控制產品和過程控制器都需要高速故障切換網絡，以持續穩定地控制I/O設備、驅動器和其他現場設備。

3 N-Tron N-Ring? 協議

N-Ring是由N-Tron開發的一種高速專有協議，能夠提供約30毫秒的穩定恢復時間，這一速度遠超RSTP的1到2秒恢復時間。憑借如此高效的恢復能力，N-Ring能夠有效防止網絡中斷，即使在對實時性要求極高的快速控制網絡中，也能確保通信的連續性和穩定性。

環網管理對比

N-Ring協議需要配置一臺N-Tron管理型交換機（如NT5000系列交換機）作為環網管理器（Ring Manager），并可支持多達250臺管理型或50臺非管理型N-Tron交換機作為環網成員。

環網管理器會以高速率向環網發送健康檢查數據包（Health Check Packets）。當這些數據包在規定時間內返回環網管理器時，表明環網完整且運行正常。如果環網中斷，環網管理器停止接收健康檢查數據包，它將在大約30毫秒內解除阻塞并重新路由網絡流量，從而快速恢復網絡通信。

N-Tron N-Ring高速環網管理

N-Ring? 監控

當N-Ring完全采用N-Tron管理型交換機時，環網管理器的Web界面將提供詳細的環網拓撲圖和故障定位圖。這些可視化工具能夠直觀展示環網的運行狀態，幫助快速定位潛在問題，從而為網絡診斷和維護提供有力支持。

N-Ring管理器狀態（無故障）

下圖展示了一個N-Ring故障狀態視圖，表明在N-Ring網絡中檢測到了故障。故障圖顯示交換機1的端口A2與交換機2的端口A2之間發生了通信錯誤。在這種情況下，環網管理器迅速識別了故障，并在大約30毫秒內完成了環網的重新配置，從而確保通信能夠繼續進行。這為現場技術人員提供了足夠的時間來評估和修復相關電纜段，而不會對網絡的正常運行造成影響。

N-Ring管理器狀態（故障）

N-Ring? 規則

僅可使用N-Tron交換機接入N-Ring環網。

環網管理器僅運行N-Ring。快速生成樹協議（RSTP）和鏈路聚合（Trunking）功能已被禁用。

在每個N-Ring環網中，僅限配置一臺N-Ring管理器。

N-Ring自動成員能夠在非N-Ring端口上執行快速生成樹協議（RSTP）。

N-Ring交換機只能加入一個N-Ring環網中運行。

N-Ring環網可以通過N-Link端口實現相互連接。有關N-Link的內容我們將在后續的文章中為您介紹。

在標記模式下運行時，所有N-Ring環網節點必須位于同一個VLAN中。

環網管理器的故障診斷圖中僅會顯示類似700、7000和9000系列的全管理型N-Tron交換機。

4 使用過程控制交換機以及非管理型交換機作為成員的N-Ring網絡

N-Ring健康監測數據包通過多播方式發送，這在使用非管理型交換機時可能會引發一些問題。非管理型

交換機通常會將這些健康監測數據包當作廣播包處理，并從所有端口發送出去。這種行為可能會對帶寬較低的設備，例如無線接入點和老舊的半雙工設備，造成不必要的流量負擔，從而產生負面影響。

與此相反，管理型N-Tron交換機能夠識別這些多播數據包，并只允許它們通過N-Ring專用端口，而不會將它們擴散到交換機的其他端口。為了解決這一問題，建議通過管理型交換機將低帶寬設備接入環網，或者使用具有端口過濾功能的500-A系列（-A代表高級功能）交換機，以阻止多播數據包從交換機的其他端口被傳輸出去。需要特別注意，N-Ring管理器必須是管理型交換機，并且必須啟用了N-Ring功能。

通過這樣的配置，可以確保N-Ring網絡的穩定性和可靠性，同時減少對低帶寬設備的潛在影響。

5 總結

廣播風暴是網絡設計中需要特別注意的問題，它可能導致網絡性能的嚴重下降。雖然傳統的IEEE生成樹協議和快速生成樹協議為避免這類問題提供了解決方案，但在對實時性要求極高的工業控制網絡中，更快速的故障恢復機制是必不可少的。N-Tron的N-Ring?協議正是為了滿足這一需求而設計的，它通過高速的環網管理和故障恢復能力，確保了網絡的穩定性和可靠性。此外，通過合理的網絡設計和配置，如使用管理型交換機和端口過濾技術，可以進一步優化網絡性能，減少對低帶寬設備的影響。隨著技術的不斷進步，我們期待未來能有更多創新的解決方案來應對網絡挑戰，確保關鍵任務網絡的連續性和高效運行。