Применение протокола RSTP на энергообъектах

Повреждение канала связи или сетевых устройств Ethernet может приводить к отказу функционирования систем РЗА. Для исключения последнего при проектировании локальных сетей обмена данными целесообразно использование протоколов резервирования, которые позволяют компенсировать указанный недостаток и повысить надежность сети обмена данными.

Одновременно с необходимостью обеспечивать надёжность обмена данными предъявляются требования ко времени восстановления связи между устройствами после возникновения отказа одного из используемых каналов связи или коммутаторов (мостов). Указанное восстановление связи зависит от быстродействия выполнения функций на конкретном энергообъекте.

RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol – «быстрый» протокол связующего дерева) – широко используемая в системах промышленной автоматизации ускоренная версия протокола резервирования STP. Протокол RSTP, описанный в спецификации комитета IEEE 802.1W, по своему  принципу действия преобразует сеть произвольной топологии в древовидную топологию [1, 2].

При использовании данного протокола можно увеличить число резервных каналов связи между устройствами, без него – это невозможно  [2, 3], поскольку два или несколько активных маршрутов между мостами сети будут способствовать  возникновению broadcast-шторма, т.е. процесса бесконечной передачи пакетов данных по сети. При этом  локальная сеть оказывается заблокированной и обмен данными между ИЭУ становится невозможным. Применение  протокола RSTP позволяет логически блокировать резервные каналы связи до момента  повреждения в сети.

Принцип работы протокола RSTP

Первый шаг к построению активной конфигурации сети, использующей протокол резервирования RSTP, – определение «корневого» моста, от которого впоследствии будет строиться топология «связующего дерева». Для этого между мостами происходит обмен служебными сообщениями BPDU (Bridge Protocol Data Unit), структура которых показана на рис. 1. Значения полей служебного сообщения описаны в таблице 1.

Рис. 1. Структура служебного сообщения BPDU.

Таблица 1. Значения полей служебного сообщения BPDU.

Изначально каждый мост является «корневым» и выполняет функцию отправки служебных сообщений, в которых значения идентификаторов  «корневого» моста Root ID и моста Bridge ID равны. Идентификатор Bridge ID указывает на мост – источник   рассматриваемого служебного сообщения. Далее каждым из мостов производится анализ полученных служебных сообщений для определения моста,  претендующего на звание «корневого».

В большей степени на это звание всегда претендует мост с меньшим значением идентификатора «корневого» моста Root ID. Если мост сети получает служебное сообщение со значением идентификатора «корневого» моста, меньшим его собственного, он перестаёт считать себя «корневым». При этом в формируемом им служебном сообщении осуществляется замена его собственного значения на значение идентификатора моста Root ID, претендующего на звание «корневого».

Как только процедура выбора  завершается, в сети остаётся только один «корневой» мост. Все его  порты являются назначенными и функционируют в режиме обучения. Одновременно с выбором «корневого» моста происходит назначение ролей портов «некорневых» мостов.

Порты мостов могут получать одну из пяти ролей:

• «корневой» порт Root Port, связанный  с «корневым» мостом наиболее коротким маршрутом,
• назначенный порт Designated Port. Порт одного из двух соседних мостов может стать  назначенным, если этот мост имеет более низкий идентификатор. Все порты «корневого» моста с наиболее  низким идентификатором – назначенные,
• альтернативный порт Alternate Port связан  с «корневым» мостом более коротким  маршрутом, чем остальные порты (кроме «корневого»). При возникновении неисправности на «корневом» порте его роль может быть мгновенно передана альтернативному порту,
• резервный порт Back Up Port, соединённый с сегментом сети посредством  двух портов, присваивает одному из них роль назначенного, другому –  резервного с более высоким значением идентификатора порта Port ID,
• граничный порт Edge Port – к нему  подключается ИЭУ. Он  не участвует в протоколе RSTP.

Согласно протоколу RSTP-порты мостов могут работать в трёх режимах:

• изоляции Discarding, когда мост обрабатывает поступающие на порт информационные пакеты данных и не обрабатывает служебные сообщения, не передаёт эти сообщения и указанные пакеты, не формирует таблицу фильтрации (базу данных МАС-адресов),
• обучения  Learning, когда мост отклоняет  информационные пакеты данных,  поступающие на этот  порт, принимает,  обрабатывает и передаёт служебные сообщения, формирует таблицу фильтрации (базу данных MAC-адресов),
• активном  Forwarding, когда мост  обрабатывает и передаёт поступающие на данный порт  информационные пакеты данных, принимает, обрабатывает и передаёт служебные сообщения, формирует таблицу фильтрации.

После назначения «корневого» моста формируется активная топология «связующего дерева» сети по процедуре «Предложение/Соглашение» (рис. 2). Её формирование начинается от «корневого» моста, передающего соседним с ним мостам служебные сообщения с установленным флагом «Предложение». Тогда эти мосты переводят свои порты (кроме «корневого») из режима обучения в режим изоляции, затем они  передают «корневому» мосту служебные сообщения с установленным флагом «Соглашение». Только после этого «корневой» мост переводит свои назначенные порты в активный режим.

Рис. 2. Структурная схема процедуры «Предложение/Соглашение»

Далее аналогичный обмен «Предложение/Соглашение» происходит между следующей парой «некорневых» мостов. При этом broadcast-шторм в сети не появляется. «Волна» предложений и соглашений проходит по всей сети, оставляя после себя активную топологию, по которой осуществляется обмен данными между устройствами РЗА сети (рис. 3).

Рис. 3. Топология сети с поддержкой протокола резервирования RSTP

При дальнейшем функционировании сети основное  назначение служебных сообщений, отправляемых  только «корневым» мостом, – обнаружение изменений в активной топологии сети. Например, в случае повреждения канала связи или одного из мостов остальные деблокируют некоторые свои порты для восстановления связи с устройствами, которые  присоединены к повреждённому мосту.

Этапы методики применения протокола RSTP

Определение резервируемого сегмента сети обмена данными

Параметр Bridge  Max  Age характеризует размер указанного сегмента – число мостов станционной шины, которые участвуют в обмене служебными сообщениями BPDU. Значение этого параметра соответствует максимальному количеству передач служебных сообщений между мостами (от «корневого» до самого удалённого) станционной шины. По умолчанию для каждого моста сети он принят равным  20 и может изменяться пользователем в диапазоне  6 – 40.

Рассмотрим случай, когда установленного значения параметра Bridge Max Age недостаточно для надёжного построения сети. Как показано ранее, структура каждого служебного сообщения включает в себя поле «Возраст сообщения» (Message Age). В исходном состоянии  «корневой» мост отправляет служебные сообщения с нулевым  значением поля «Возраст сообщения». По факту принятия служебного сообщения другим мостом сети значение указанного  поля увеличивается на 1, т.е. передача осуществлена  через один мост.  При этом текущее значение поля «Возраст сообщения» сравнивается с параметром Bridge Max Age моста (рис. 4).

Рис. 4. Структурная схема передачи служебных сообщений

Если значение поля превышает параметр Bridge Max Age рассматриваемого моста, передача служебного сообщения далее не производится, тем самым ограничивается объём резервируемой сети. Например, при отказе действия  «корневого» моста и самопроизвольном выборе нового возможна потеря обмена данными с некоторыми устройствами сети (рис. 5).

Рис. 5. Структурная схема отказа работоспособности «корневого» моста и
построения новой конфигурации сети

Задание параметра BridgeMaxAge коммутаторов

Чтобы избежать ограничения резервируемого объёма сети в нормальном режиме и, что более важно,  при восстановлении сети после повреждения, необходимо правильно выбрать  параметр Bridge Max Age мостов сети. Указанное можно сделать, используя способ определения наибольшего радиуса топологии сети, что и будет  в конечном итоге соответствовать необходимому параметру Bridge Max Age  мостов.

Наибольший радиус топологии сети Ethernet (R) – самый длинный маршрут, по которому передаются служебные сообщения от «корневого» моста. При расчёте радиуса обязательно следует учитывать вариант наиболее сложного  повреждения в активной топологии сети. Начало отсчёта радиуса принимают  от «корневого» моста до самого удалённого.

Рис. 6. Пример определения наибольшего радиуса сети произвольной топологии

Для схемы сети, представленной на рис. 6, наибольший  радиус сети при выбранном «корневом» мосте составляет 7. Соответственно, параметр Bridge Max Age для мостов сети при конфигурировании должен также быть равен 7. Пример  определения наибольшего радиуса для топологии сети «кольцо-кольцо» показан на рис. 7. Главное кольцо состоит из n  и 2m коммутаторов, необходимых для соединения с m кольцами. Каждое кольцо состоит из r коммутаторов, тогда наибольший радиус  вычисляется по формуле R = (n + 2m) + r.

Рис. 7. Пример определения наибольшего радиуса для многокольцевой топологии сети обмена данными

В рассматриваемом примере наибольший радиус при самом сложном повреждении сети составляет 11. Расчёт, аналогичный приведённому для рис. 7, также должен быть выполнен для случая, когда имеет место отказ «корневого» моста с переводом его функций на резервный.

Определение положения корневого и резервного мостов в топологии сети

В процессе настройки сети один мост рекомендуется назначить «корневым», присвоив  ему наиболее низкий идентификатор. Резервным  становится новый «корневой» мост (после повреждения старого), который  назначается произвольно либо преднамеренно. В последнем случае идентификатор резервного моста должен быть больше идентификатора «корневого» моста, но меньше того же показателя остальных мостов.

Оптимальное  решение  –  расположение  «корневого» и  резервного мостов в центре топологии сети. Идентификаторы остальных мостов должны назначаться на основании  анализа топологии сети конкретного объекта. Произвольное расположение «корневого» и резервного мостов приводит к нарушению функций, выполняемых устройствами РЗА. Так, при повреждении «корневого» моста обмен данными  между устройствами, составляющими часть сети, может  не восстановиться.

Расчёт времени восстановления обмена данными после повреждения в сети

Этот расчёт последний, но не менее важный шаг в построении станционной шины. Если время восстановления не превышает требуемых значений, спроектированная сеть удовлетворяет требованиям стандарта МЭК 61850.

При проектировании станционной шины согласно указанному стандарту с использованием протокола RSTP важным аспектом является обеспечение не только максимального размера резервируемой сети, но и требуемого (в соответствии со стандартом) времени восстановления обмена данными между устройствами. При этом очевидно противоречие: c одной стороны, рост числа мостов, получающих служебные сообщения, позволяет увеличить размер резервируемой сети, тем самым повышая надёжность обмена данными, с другой стороны, этот же рост приводит к увеличению времени восстановления обмена данными между устройствами.

Расчётные случаи для нахождения времени восстановления обмена данными – повреждение канала связи или «некорневого» моста, повреждение «корневого» моста. Исходя из анализа топологии сети конкретного объекта, возможно создание обходных (резервных) каналов связи, которые позволяют снизить максимальное значение радиуса резервируемого сегмента сети обмена данными при сохранении необходимого числа коммутаторов Ethernet.

• Повреждение канала связи или «некорневого» моста. Мост, зафиксировавший повреждение канала связи, передаёт соседним мостам служебные сообщения с установленным флагом «Топология изменена» («TopologyChange»). При этом происходит фильтрация базы данных MAC-адресов моста для активных портов, что  позволяет обеспечить его правильную работу  в изменённой топологии сети. В соседних мостах, получивших служебное сообщение с флагом «Топология изменена», также происходит фильтрация баз данных MAC-адресов для своих активных портов, за исключением одного, на который пришло это сообщение. В свою очередь мосты передают служебное сообщение «Топология изменена» далее по сети. Одновременно формируется активная топология сети ОД по процедуре «Предложение/Соглашение» с учётом происшедших изменений. Оба указанных процесса могут завершиться неодновременно, однако обмен данными считается восстановленным по окончании обоих процессов. Это отражено в формуле для времени восстановления станционной шины, состоящей из N сетевых устройств: Твосст = ТL + N*max{ТРА, (ТТС+ ТF)}, мс, где TL– время обнаружения повреждения канала Link Failure моста, зависящее от вида используемой технологии Ethernet, TPA – время установления  соглашения  Proposal/Agreement между двумя мостами, изменяемое в зависимости от производителя и типа оборудования, TТС – время  распространения по сети служебных сообщений с флагом «Топология изменена», TF – время фильтрации базы данных MAC-адресов моста относительно своих портов Flushing.
• Повреждение «корневого» моста. Это самый тяжёлый случай, так как время восстановления обмена данными увеличивается на промежуток (примерно TPA)  времени, в течение которого определяется новый «корневой» мост. Как уже отмечалось, после этого по сети  проходит «волна» предложений и соглашений, которая длится в течение промежутка времени TPA. Время восстановления станционной шины, состоящей из N сетевых устройств, можно оценить по формуле: Твосст = ТL + 2NТРА, мс. Ориентировочные значения параметров при использовании протокола RSTP: TРА=5мс , TL= 4–6 мс (для физического уровня 100 Base-TX и 100 Base-FX),  20мс (для 1000 Base-X), 700мс (для 1000 Base-T).

Вывод

Согласно  изложенной методике применения протокола резервирования RSTP представляется целесообразным  осуществлять проектирование сетей Ethernet, по которым происходит обмен данными между различными ИЭУ на энергообъектах, с учётом  требований надёжности  и быстродействия информационного обмена. Указанное в свою очередь обеспечивает правильность  функционирования систем РЗА, их надёжность и быстродействие.

Список литературы

1.  IEC 61850-90-4, Communication Networks and Systems in Substations. Part 90-4: Network Engineering Guidelines. Technical Report,  2010.

2. Филимонов А.Ю. Построение мультисервисных сетей Ethernet. Спб: БХВ-Петербург, 2007.

3. Castelli M. J., LAN Switching first-step / Cisco Press, 2004.

4. Документация на устройства фирмы Siemens / SIPROTEC 4. Ethernet Module EN100 for IEC 61850 with electrical/optical 100 Mbit Interface.