STP、RSTP到N-Ring的演进之路

1 以太网中的广播风暴

若未实施环网管理，网络环网极有可能触发网络风暴。当非管理型交换机接收到广播数据包或组播数据包时，会将其从除接收端口外的其余所有端口进行转发。

在存在环网的网络环境中，广播数据包和组播数据包会被持续不断地重复转发，进而引发广播风暴。一旦广播风暴形成，网络吞吐量便会急剧下降。随着风暴的加剧，网络带宽会被循环传输的这些数据包迅速占据，直至100%的带宽都被用于此，最终导致网络性能急剧恶化，陷入近乎瘫痪的状态。

对于任务关键型网络应用而言，冗余通信路径（即冗余介质）通常是必不可少的，以确保在主路径丢失时仍能维持通信。然而，当采用介质冗余时，通常一次只能激活一条路径。一种常见的解决方案是预先准备一根未连接的备用电缆，以便在主电缆损坏时使用。但这种方法的缺点在于，它需要人工介入来完成切换和修复，这无疑增加了故障恢复的时间和复杂性。

2 IEEE生成树协议和快速生成树协议

IEEE生成树协议（STP）专门设计用于检测网络环路，并在引发广播风暴之前将其阻断，从而确保网络的稳定运行。STP还具备自动切换功能，能够在主链路发生故障时无缝激活冗余链路，保障网络的高可用性和连续性。

生成树协议（STP）通过将交换机上的某些端口置于阻塞状态，阻止这些端口转发或接收标准以太网帧，从而有效避免环路引发的网络问题。唯一的例外是STP的BPDU（桥接协议数据单元）数据包。BPDU用于计算网络中的最短路径，并作为心跳信号检测环路连接是否完整。

当主路径发生故障时，生成树协议需要一定时间来检测故障，并解除阻塞端口以建立绕过故障点的备用路径。这一过程所需的时间被称为环路的“自愈时间”。在STP协议中，自愈时间通常为30至120秒。而在大型网络中，STP的恢复时间可能会延长至5分钟。

快速生成树协议（RSTP）自动阻塞了一条路径

生成树协议（STP）由IEEE于1990年正式标准化为802.1D标准。1998年，IEEE进一步推出了快速生成树协议（RSTP，即802.1W），其网络拓扑收敛时间大幅缩短至1-2秒。STP和RSTP均为开放标准，已被众多交换机制造商广泛采用，包括N-Tron在内的众多厂商均在其管理型交换机产品中实现了这些协议。

RSTP的快速自愈能力在企业网络中表现出色，因为几秒钟的网络延迟通常不会对业务造成显著影响。然而，在工业控制网络中，即使是1秒的通信中断也可能引发严重问题。工厂自动化应用通常涉及对实时性要求极高的设备，这些设备需要更快的故障切换时间，以确保被控制过程的安全运行并防止因故障导致的昂贵停机时间。可编程控制产品和过程控制器都需要高速故障切换网络，以持续稳定地控制I/O设备、驱动器和其他现场设备。

3 N-Tron N-Ring™ 协议

N-Ring是由N-Tron开发的一种高速专有协议，能够提供约30毫秒的稳定恢复时间，这一速度远超RSTP的1到2秒恢复时间。凭借如此高效的恢复能力，N-Ring能够有效防止网络中断，即使在对实时性要求极高的快速控制网络中，也能确保通信的连续性和稳定性。

环网管理对比

N-Ring协议需要配置一台N-Tron管理型交换机（如NT5000系列交换机）作为环网管理器（Ring Manager），并可支持多达250台管理型或50台非管理型N-Tron交换机作为环网成员。

环网管理器会以高速率向环网发送健康检查数据包（Health Check Packets）。当这些数据包在规定时间内返回环网管理器时，表明环网完整且运行正常。如果环网中断，环网管理器停止接收健康检查数据包，它将在大约30毫秒内解除阻塞并重新路由网络流量，从而快速恢复网络通信。

N-Tron N-Ring高速环网管理

N-Ring™ 监控

当N-Ring完全采用N-Tron管理型交换机时，环网管理器的Web界面将提供详细的环网拓扑图和故障定位图。这些可视化工具能够直观展示环网的运行状态，帮助快速定位潜在问题，从而为网络诊断和维护提供有力支持。

N-Ring管理器状态（无故障）

下图展示了一个N-Ring故障状态视图，表明在N-Ring网络中检测到了故障。故障图显示交换机1的端口A2与交换机2的端口A2之间发生了通信错误。在这种情况下，环网管理器迅速识别了故障，并在大约30毫秒内完成了环网的重新配置，从而确保通信能够继续进行。这为现场技术人员提供了足够的时间来评估和修复相关电缆段，而不会对网络的正常运行造成影响。

N-Ring管理器状态（故障）

N-Ring™ 规则

仅可使用N-Tron交换机接入N-Ring环网。

环网管理器仅运行N-Ring。快速生成树协议（RSTP）和链路聚合（Trunking）功能已被禁用。

在每个N-Ring环网中，仅限配置一台N-Ring管理器。

N-Ring自动成员能够在非N-Ring端口上执行快速生成树协议（RSTP）。

N-Ring交换机只能加入一个N-Ring环网中运行。

N-Ring环网可以通过N-Link端口实现相互连接。有关N-Link的内容我们将在后续的文章中为您介绍。

在标记模式下运行时，所有N-Ring环网节点必须位于同一个VLAN中。

环网管理器的故障诊断图中仅会显示类似700、7000和9000系列的全管理型N-Tron交换机。

4 使用过程控制交换机以及非管理型交换机作为成员的N-Ring网络

N-Ring健康监测数据包通过多播方式发送，这在使用非管理型交换机时可能会引发一些问题。非管理型

交换机通常会将这些健康监测数据包当作广播包处理，并从所有端口发送出去。这种行为可能会对带宽较低的设备，例如无线接入点和老旧的半双工设备，造成不必要的流量负担，从而产生负面影响。

与此相反，管理型N-Tron交换机能够识别这些多播数据包，并只允许它们通过N-Ring专用端口，而不会将它们扩散到交换机的其他端口。为了解决这一问题，建议通过管理型交换机将低带宽设备接入环网，或者使用具有端口过滤功能的500-A系列（-A代表高级功能）交换机，以阻止多播数据包从交换机的其他端口被传输出去。需要特别注意，N-Ring管理器必须是管理型交换机，并且必须启用了N-Ring功能。

通过这样的配置，可以确保N-Ring网络的稳定性和可靠性，同时减少对低带宽设备的潜在影响。

5 总结

广播风暴是网络设计中需要特别注意的问题，它可能导致网络性能的严重下降。虽然传统的IEEE生成树协议和快速生成树协议为避免这类问题提供了解决方案，但在对实时性要求极高的工业控制网络中，更快速的故障恢复机制是必不可少的。N-Tron的N-Ring™协议正是为了满足这一需求而设计的，它通过高速的环网管理和故障恢复能力，确保了网络的稳定性和可靠性。此外，通过合理的网络设计和配置，如使用管理型交换机和端口过滤技术，可以进一步优化网络性能，减少对低带宽设备的影响。随着技术的不断进步，我们期待未来能有更多创新的解决方案来应对网络挑战，确保关键任务网络的连续性和高效运行。

审核编辑 黄宇