工业以太网通讯疑难杂症之五：网络数据风暴问题
随着工业4.0大数据应用规模的迅速增长，我们会遇到越来越多的数据风暴问题。 ?【问题描述】
某F&B行业大客户的生产线控制系统采用Ethernet-IP工业以太网通讯。稳定运行 ?两年后的某一天，现场设备与PLC主站之间的Ethernet-IP数据交换，突然间全部断线了！为什么会这样？ 【常规诊断】
检查硬件：从宏观与细节两方面观察测试，该Ethernet网络结构架设都是正常的； ?检查软件：Rockwell上位机控制的Logix程序与现场设备的参数设定都未发生过改 ?动；
检查固件：PLC上位机、现场设备、交换机的固件版本也都没有改动。似乎一切都 ?是OK的？ 【深入诊断】
请注意故障现象是大批量以太网设备同时断线。这就好像一个网吧里所有电脑突然 ?全部断网，那么有经验的网管就知道了，问题一定出在这个网吧的交换机上，需要逐个排查交换机柜内的所有网络端口。工业现场也是如此，这种问题也是锁定在现场交换机上，而且网络端口数量比计算机房交换机柜内的少很多，排查工作量更小。
但是这并不意味着情况就更简单：因为仔细观察现场的交换机，我们发现端口上不 ?仅连接了工业现场设备，并且还连接了企业管理ERP数据网线。拔下ERP数据网线后再观察，所有这些工
业现场设备的Ethernet-IP通讯立即恢复正常，由此可断定IT以太网域对工业以太网域造成了干扰，引发了网络风暴。 【深入分析】
那为什么之前的两年内没有出现这样的情况？这就要用发展的眼光看问题了。 ?两年前该项目刚设计出来并调试的时候，基于成本控制的考虑，以及现场网络简单 ?的实际情况，一个交换机混合两种性质网络进行数据交换的做法，那时候看起来是可行能用的。然而这种网络构建方案其实是不规范的，因为正规的做法是配置两个Ethernet-IP主站模块，一个连接企业管理ERP交换机拓扑，另一个连接现场工业以太网设备交换机拓扑。
而设备投产两年后发生网络风暴的原因，很可能是由于：1、工业以太网比IT以太 ?网要求更高的实时性能，对于Ethernet数据波动更加敏感；2、企业管理ERP系统发生变动而变复杂后，发送到生产现场的数据量增加，超出了该台现场交换机的数据流量极限，造成数据波动，而实时性要求更高的Ethernet-IP通讯自然更早地受此影响而中断了通讯。 【解决方案】
短期措施：由于企业管理ERP数据不参与生产系统的具体控制，为了应急可以先脱 ?开ERP网线，进行离线生产，先确保产品能够正常生产并出货。
长期措施：1、升级现场交换机，换成更大容量的、Ethernet-IP专用的管理型交换机； ?2、在上位机PLC模组内再增加Ethernet-IP通讯模块，把控制网络分为外网与内
网，外网用于企业级数据交换，内网用于实时工业以太网通讯。这样能彻底隔开ERP信息网对现场工业以太网设备的影响。但是成本较高。
还有一种方案三有待实验，如下图所示，以 PROFINET IO 协议为例，常规以太网 ?设备与工业以太网设备，不能接入同一个交换机上的端口；我们需要两个管理型PROFINET专用交换机，并且将常规的以太网设备集中连接到靠近PLC的那个交换机端口上：
【更多思考】
目前工业4.0大数据网络概念大热，但是在实际应用中，我们必须重视对路由器交 ?换机的选择与拓扑设计。
具体来讲就是选择更大的交换机网关数据处理流量，设计更多分层的局域网将不同 ?性质的域分离开防止数据干扰。该类设计规则已经为各个大项目所采用，并形成了现有的规范：所有以太网工控层都要用独立交换机，每个PLC从站配置的层级
不同就配置一个交换机，层级相同的可以共用一个交换机（协议也要相同），绝不能与其他网络公用。
因此我推崇分散式控制系统。因为只有真正做到，将复杂控制大程序分散化到现场 ?层的组件与部件上，才可能真正意义上的降低整个网络中的数据负载。
工业4.0控制系统的理念也是如此，并且它要求不仅仅是万物互联，而且是万物都 ?能独立思考，
也就是每一个组件内部都要有自己的独立大脑，例如嵌入式PLC或处理器。
由此可以预见，工业智能元件智能硬件在不久的未来会迎来爆发性发展的黄金机遇。 ?【题外话】
据说有些工业机器人大型项目的编程高手，前一份工作是开网吧的，现在看来真不 ?是开玩笑的。
【技术附录1】
IT行业内部对网络风暴的描述与处理对策 1、定义
一个数据帧或包被传输到本地网段(由广播域定义)上的每个节点就是广播；由于网 ?络拓扑的设计和连接问题，或其他原因导致广播在网段内大量复制，传播数据帧，导致网络性能下降，甚至网络瘫痪。这就是广播风暴。
2、原因分析
网络设备原因：我们经常会有这样一个误解：交换机是点对点转发，不会产生广播 ?风暴。其实，在我们购买网络设备时，购买的交换机通常是智能型的集线器（Hub），却被奸商当做交换机来卖。这样，在网络稍微繁忙的时候，肯定会产生广播风暴了。
网卡损坏原因：如果网络机器的网卡损坏，也同样会产生广播风暴。损坏的网卡不 ?停向交换机发送大量的数据包，就会产生大量无用的数据包，最终导致广播风暴。由于网卡物理损坏引起的广播风暴比较难排除，并且损坏的网卡一般还能上网，我们一般借用Sniffer局域网管理软件，查看网络数据流量，来判断故障点的位置。
网络环路（不是冗余）原因：曾经在一次网络故障排除中，发现一个很可笑的错误： ?一条双绞线的两端插在同一个交换机的不同端口上，导致了网络性能骤然下降，打开网页都非常困难。这种故障，就是典型的网络环路。网络环路的产生，一般是由一条物理网络线路的两端同时接在了
一台网络设备中所致。不过，现今的交换机（不是HUB）一般都带有环路检测功能。 网络病毒原因：一些比较流行的网络病毒，如Funlove、震荡波、RPC等病毒，一 ?旦有机器中毒后，它们便会立即通过网络进行传播。网络病毒的传播，就会占据大量的网络带宽，引起网络堵塞，进而引起广播风暴。
黑客软件的使用：一些上网者经常利用网络执法官、网络剪刀手等黑客软件，对网 ?吧的内部网络进行攻击，这些软件的使用，也可能产生广播风暴。 3、预防对策（以CISCO catalyst switch为例）
首先使用网管分析你网络的baseline，这样可以明确你的网络当中正常情况下的广 ?播包比例是多少。绝大多数交换机都支持广播风暴抑制特性，配置了这个特性以
后，你可以控制每个端口的广播包维持在特定的比例之下，这样可以保留带宽给必须的应用。 配置：（以CISCO catalyst switch为例） Int XX
storm-control broadcast level 20.00 switch#sh storm
Interface Filter State Level Current --------- ------------- ------- ------- Fa1/0/1 Forwarding 20.00% 0.00%
针对缺省STP配置无法排除的网络环路问题，利用STP的BPDUguard特性来预防 ?广播风暴。 此种环路情况示意图如下：
switch——hub（portA——portB）
工业以太网通讯疑难杂症之五
