摘 要： 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中大量采用“生產(chǎn)者－消費(fèi)者”的通信模式，網(wǎng)絡(luò)中存在著大量的多播數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)交換機(jī)對多播數(shù)據(jù)的廣播式處理方式會(huì)大大降低交換式以太網(wǎng)的性能。本文在對比分析交換式以太網(wǎng)中現(xiàn)有幾種多播方法的基礎(chǔ)上，指出了它們各自在交換式工業(yè)以太網(wǎng)中的使用范圍。 關(guān)鍵詞：交換式工業(yè)以太網(wǎng)；多播；虛擬局域網(wǎng)；IGM 竊聽；Cisco 多播管理協(xié)議；GARP 多播注冊協(xié)議 [align=center]Multicast Methods in Switched Industrial Ethernet ZHANG Qi-zhi, CAO Chun-sheng, ZHANG Wei-dong Department of Automation, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200030, China[/align] Abstract：Because “producer-consumer” communication mode is widely adopted in industrial control network, there is a mass of multicast data in the network，traditional switch broadcasts multicast frames to all ports, which can significantly degrade the performance of switched Ethernet. This article compares existing several multicast methods and points out their respective applicable scopes in switched industrial Ethernet. Keywords: switched industrial Ethernet; multicast; VLAN; IGMP Snooping; CGMP; GMRP 1. 引 言 在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)常采用“生產(chǎn)者－消費(fèi)者”的通信模式進(jìn)行傳送，其中生產(chǎn)者是發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的工作站，它產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以同時(shí)被多個(gè)消費(fèi)者使用。這種通信模式一方面可以保證同一實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在空間上的一致性，另一方面可以節(jié)省帶寬，因?yàn)槊總�(gè)新產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)只需要發(fā)送一次。 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中這種“一對多”的數(shù)據(jù)相應(yīng)于以太網(wǎng)中的多播數(shù)據(jù)幀，而多播數(shù)據(jù)在傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)中是以廣播的方式發(fā)送，因?yàn)榻粨Q機(jī)一般是通過查看它收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的源地址來學(xué)習(xí)各端口相連工作站的MAC 地址的，而多播MAC 地址從來不會(huì)被用在一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的源地址中，交換機(jī)沒有方法動(dòng)態(tài)地學(xué)習(xí)它們。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在著大量的多播數(shù)據(jù)時(shí)，由多播幀引起的廣播數(shù)據(jù)會(huì)消耗掉大量的帶寬，甚至?xí)稹皬V播風(fēng)暴”使網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。最容易想到的方法是為交換機(jī)的每個(gè)端口靜態(tài)地配置多播地址，這種方法是可行的，但可擴(kuò)展性和動(dòng)態(tài)適應(yīng)性都很差。 本文的第2 到5 小節(jié)對目前交換式以太網(wǎng)中常采用的四種多播方式進(jìn)行了介紹。第6小節(jié)對它們進(jìn)行了對比分析，并指出了各自在工業(yè)以太網(wǎng)中的適用范圍。 2. 虛擬局域網(wǎng)（Virtual LAN） VLAN 是指在交換局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上，采用網(wǎng)絡(luò)管理軟件構(gòu)建的可跨越不同網(wǎng)段、不同網(wǎng)絡(luò)的端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)VLAN 組成一個(gè)邏輯子網(wǎng)，即一個(gè)邏輯廣播域，它可以覆蓋多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，允許處于不同地理位置的網(wǎng)絡(luò)用戶加入到一個(gè)邏輯子網(wǎng)中。VLAN 的主要優(yōu)點(diǎn)之一就是可以抑制網(wǎng)絡(luò)廣播風(fēng)暴，一個(gè)VLAN 就是一個(gè)邏輯廣播域，通過對VLAN 的創(chuàng)建，隔離了廣播，縮小了廣播范圍，可以控制廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生[1]。 從而可以設(shè)想將屬于每個(gè)“生產(chǎn)者－消費(fèi)者”數(shù)據(jù)組的工作站組成一個(gè)VLAN，當(dāng)其中的生產(chǎn)者發(fā)送多播數(shù)據(jù)時(shí)，只有屬于該VLAN 的數(shù)據(jù)組成員才能接收到相應(yīng)的多播數(shù)據(jù)�？刂凭W(wǎng)絡(luò)中只要存在一個(gè)“生產(chǎn)者－消費(fèi)者”數(shù)據(jù)組，就對應(yīng)于一個(gè)VLAN。顯然，某個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)分配的VLAN 數(shù)量將與其中的“生產(chǎn)者－消費(fèi)者”數(shù)據(jù)組個(gè)數(shù)成正比。由于位于控制層的控制器往往參與到多個(gè)控制回路中完成優(yōu)化控制運(yùn)算，它應(yīng)該同時(shí)位于多個(gè)VLAN 中，才能與多個(gè)控制回路中的工作站交換數(shù)據(jù)。 對于小型的控制網(wǎng)絡(luò)，這種多播方式也許是可行的，但對于中等規(guī)模和大規(guī)模的控制網(wǎng)絡(luò)，為數(shù)眾多的VLAN 勢必會(huì)大大降低控制網(wǎng)絡(luò)的性能，并給VLAN 的管理和維護(hù)帶來極大的困難，在大型控制網(wǎng)絡(luò)中“生產(chǎn)者－消費(fèi)者”數(shù)據(jù)組個(gè)數(shù)甚至?xí)^可用的VLAN 數(shù)量（4096 個(gè)）。 由于VLAN 的安全機(jī)制，屬于不同VLAN 的通信成員之間相互通信時(shí)必須通過路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)交。如圖1 所示，位于VLAN1 工作站A 有數(shù)據(jù)要向位于VLAN2 中B 發(fā)送時(shí)，工作站A 必須首先把自己的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交給網(wǎng)絡(luò)中的路由器，再由路由器其轉(zhuǎn)交給工作站B。路由器的介入勢必會(huì)增大數(shù)據(jù)的傳輸延遲，對于實(shí)時(shí)報(bào)文甚至可能使其失去實(shí)時(shí)性。雖然帶有硬件路由功能的第三層交換機(jī)可以增強(qiáng)需要路由傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，但會(huì)增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的成 本，并會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜性。 [align=center] 圖1 不同VLAN 的工作站通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)[/align] 3. IGMP 竊聽（IGMP Snooping） 互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議IGMP（Internet Group Management Protocol）定義了工作站如何向路由器注冊以便能接收到特定的IP 多播數(shù)據(jù)。當(dāng)以太網(wǎng)交換機(jī)收到工作站和路由器之間傳遞的IGMP 報(bào)文時(shí)，通過截取并分析IGMP 報(bào)文所帶的信息，在鏈路建立和維護(hù)MAC 多播地址轉(zhuǎn)發(fā)表，以后從路由器下發(fā)的多播報(bào)文就根據(jù)該表中的“多播組－端口”對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)[2][3]。 3.1 通過IGMP 竊聽加入某一多播組 [align=center] 圖2 通過IGMP 竊聽加入一個(gè)多播組[/align] 當(dāng)工作站是某交換組中第一個(gè)希望加入某一多播組的工作站時(shí)，如圖2 中的工作站A，加入過程如下：工作站A 先主動(dòng)向路由器發(fā)送一條IGMP 成員報(bào)告，交換機(jī)通過截取分析該成員報(bào)告得知工作站希望加入的多播組，然后為其創(chuàng)建一個(gè)多播項(xiàng)目組，并把它鏈接到工作站A 所在的端口和所有的路由器端口。最后交換機(jī)把該IGMP 成員報(bào)告轉(zhuǎn)發(fā)給路由器端口，以便路由器能夠接收到該IGMP 報(bào)告，并相應(yīng)地更新它的多播路由表。 當(dāng)工作站希望加入一個(gè)已存在的多播組時(shí)，如圖2 中工作站B 希望加入工作站A 已經(jīng)加入的多播組中。交換機(jī)只是簡單的將該工作站所在端口鏈接到已存在的多播組上，不再向路由器轉(zhuǎn)發(fā)IGMP 報(bào)告，而是使用代理報(bào)告（Proxy Reporting）機(jī)制每隔10s 向路由器為每個(gè)多播組轉(zhuǎn)發(fā)一次IGMP 報(bào)告。這種代理報(bào)告機(jī)制可以減少IGMP 竊聽多播機(jī)制消耗的帶寬[3]。 3.2 使用IGMP 竊聽離開一個(gè)多播組 當(dāng)工作站想離開一個(gè)多播組時(shí)，它可以簡單的忽略周期的IGMP 詢問報(bào)文，或者發(fā)送一條IGMP Leave 報(bào)文。當(dāng)交換機(jī)收到對某多播組的IGMP Leave 報(bào)文時(shí)，則會(huì)向接收該報(bào)文的端口發(fā)送所離開組的特定組查詢報(bào)文，以確認(rèn)此端口相連的工作站中還有沒有該多播組的其他成員，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)查詢響應(yīng)定時(shí)器。如果在該定時(shí)器超時(shí)還沒有收到該多播組的報(bào)告報(bào)文，則將該端口從相應(yīng)的MAC 多播組中移除。如果MAC 多播組在交換機(jī)的各個(gè)端口都沒有組成員時(shí)，交換機(jī)將通知多播路由器將該分支從多播樹中刪除[2]。 4. Cisco 組管理協(xié)議（Cisco Group Management Protocol） CGMP 是Cisco 公司專有的組管理協(xié)議，它是在多播路由器和交換機(jī)之間使用的一種通信協(xié)議，主要工作方式是多播路由器通過CGMP 報(bào)文通知交換機(jī)它所得到的IGMP 信息，交換機(jī)上的CGMP 模塊會(huì)把接收到CGMP 幀中的“多播組－工作站”對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換為“多播組－端口”對，并基于此建立本地的多播地址轉(zhuǎn)發(fā)表，然后依照這個(gè)關(guān)系轉(zhuǎn)發(fā)多播數(shù)據(jù)[3][4]。 4.1 CGMP 的數(shù)據(jù)幀格式 CGMP 是目的地址為0x01-00-0C-DD-DD-DD 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀, 它主要包含以下字段[4]： （1） 版本號(hào)，1 或2。 （2） 報(bào)文類型，加入（Join）或離開（Leave）。 （3） 計(jì)數(shù)值，報(bào)文幀中包含的多播/單播地址對。 （4） GDA（Group Destination Address），48 位的多播MAC 地址。 （5） USA（Unicast Source Address），欲加入某一多播組的48 位的單播MAC 地址。 4.2 使用CGMP 加入一個(gè)多播組 當(dāng)工作站希望加入某一多播組時(shí)，它發(fā)送一條IGMP 成員報(bào)告。路由器收到該IGMP報(bào)告后，把IGMP 幀中所聲明的多播MAC 地址拷貝到CGMP Join 數(shù)據(jù)幀的GDA 字段中，把發(fā)送站的源MAC 地址拷貝到CGMP Join 數(shù)據(jù)幀的USA 字段中，然后把構(gòu)建好CGMP 數(shù)據(jù)幀發(fā)送給交換機(jī)。具有CGMP 多播功能的交換機(jī)監(jiān)聽到目的地址為0x01-00-0C-DD-DD-DD 的數(shù)據(jù)幀后，它的處理器到自己的“地址－端口”表中去查找對應(yīng)的USA。一旦USA 在表中被找到，交換機(jī)知道了該USA 位于哪個(gè)端口，然后它進(jìn)行下列其中一項(xiàng)操作： （1） 為GDA 創(chuàng)建一個(gè)新的多播項(xiàng)目組，并把USA 對應(yīng)的端口和所有的路由器端口鏈接到該GDA。 （2） 如果屬于該GDA 的多播項(xiàng)目組已經(jīng)存在，交換機(jī)只是把該USA 對應(yīng)的端口加入到已有GDA 的端口列表中。 4.3 使用CGMP 離開一個(gè)多播組 當(dāng)使用IGMPv1，工作站希望離開一個(gè)多播組時(shí)，不發(fā)送IGMP leave 報(bào)文, 路由器在兩次連續(xù)的IGMP 詢問沒有收到回應(yīng)后，發(fā)送IGMP Leave 報(bào)文。如果仍舊有用戶對某多播組感興趣，屬于該多播組的端口就不會(huì)從多播樹上被刪除掉。當(dāng)使用IGMPv2 時(shí)，工作站希望離開某一多播組時(shí)，可以發(fā)送IGMP Leave 報(bào)文。CGMPv2 借助該機(jī)制可以使工作站快速離開一個(gè)組（CGMP Fast-Leave）。 CGMP Fast-Leave 處理方式允許交換機(jī)在端口監(jiān)視引擎模塊（具有IGMP 解析功能的硬件模塊）中監(jiān)聽工作站發(fā)往所有路由器多播地址（224.0.0.2）的IGMPv2 Leave 報(bào)文。當(dāng)它發(fā)現(xiàn)有Leave 報(bào)文時(shí)，就啟動(dòng)一個(gè)查詢響應(yīng)計(jì)時(shí)器，并發(fā)送一條查詢報(bào)文到接收到該Leave 報(bào)文的端口，以確認(rèn)該端口是否還有工作站希望接收到此多播組數(shù)據(jù)。如果在定時(shí)器超時(shí)時(shí)還沒有收到CGMP Join 報(bào)文，則該端口從IGMP Leave 報(bào)文所標(biāo)明的多播組的多播樹中被移除。如果它是該多播組的最后一個(gè)端口，交換機(jī)就把IGMP Leave 報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到路由器端口。然后路由器通過發(fā)送一個(gè)特定組的查詢報(bào)文啟動(dòng)正常的刪除過程，因?yàn)椴粫?huì)收到響應(yīng)報(bào)文，路由器就在多播路由表中把相應(yīng)的端口刪除掉。同時(shí)路由器也發(fā)送一條CGMP Leave 報(bào)文給交換機(jī)把該多播組從轉(zhuǎn)發(fā)表中刪除掉 [3]。 5. GARP 多播注冊協(xié)議（GARP Multicast Registration Protocol） 在IEEE 802.1D 標(biāo)準(zhǔn)中定義了GMRP，它使用GARP（generic attribute registration protocol）協(xié)議機(jī)制聲明和注冊工作站和交換機(jī)監(jiān)聽接收多播數(shù)據(jù)的需要。 5.1 GMRP 的幀格式 GMRP 的數(shù)據(jù)幀格式如圖3 所示，其各個(gè)字段的意義如下： （1） GMRP 應(yīng)用地址，為多播地址0x01-80-C2-00-00-20。 （2） 源地址，取產(chǎn)生該GMRP 數(shù)據(jù)幀的設(shè)備的單播地址。 （3） 長度，標(biāo)明整個(gè)GMRP 數(shù)據(jù)幀的長度。 （4） LLC 頭，所有GARP 應(yīng)用都使用源地址和目的地址為0x42 的LLC 服務(wù)接入點(diǎn)，控制字段取值為0x03 標(biāo)明為無連接服務(wù)。 （5） 協(xié)議ID，所有GARP 應(yīng)用都使用值為0x0001 的協(xié)議ID，以便和其他LLC 服務(wù)（如生成樹協(xié)議）相區(qū)別。 [align=center] 圖3 GMRP 幀協(xié)議格式[/align] （6） GMRP 屬性類別， GMRP 數(shù)據(jù)幀可以包含多個(gè)GMRP 信息字段，用值0x00 標(biāo)明GMRP信息的結(jié)束。GMRP 信息具有兩種屬性類別：當(dāng)屬性類型為0x01 時(shí)表明后面是組成員屬性列表，用來聲明接收特定多播數(shù)據(jù)的需要；當(dāng)屬性類型為0x02 時(shí)是為了保證兼容不支持GARP 的設(shè)備。 （7） GMRP 屬性列表，屬性列表可以包含多個(gè)屬性值，每個(gè)屬性值包含三個(gè)元素：屬性長度；屬性事件，標(biāo)明對屬性值要采取的行為，加入或離開一個(gè)多播組；屬性值，當(dāng)屬性類別取組成員屬性時(shí)為48 位的MAC 多播地址[5][6]。 5.2 GMRP 的多播原則 GMRP 的實(shí)現(xiàn)基于GARP 工作機(jī)制，用于維護(hù)交換機(jī)中的動(dòng)態(tài)多播注冊信息。所有支持GMRP 特性的交換機(jī)都能夠接收來自其他交換機(jī)的多播注冊信息，并動(dòng)態(tài)更新本地的多播注冊信息，同時(shí)也能將本地的多播注冊信息向其他交換機(jī)傳播，以便使同一交換網(wǎng)內(nèi)所有支持GMRP 特性的設(shè)備的多播信息達(dá)成一致。GMRP 依據(jù)下面的原則進(jìn)行操作[5]： （1） 設(shè)備通過Join 命令聲明它們加入某多播組的愿望，該聲明可以通過Leave 命令撤銷。 （2） 當(dāng)同一網(wǎng)段的已有設(shè)備聲明對某一多播組感興趣時(shí)，如果另外一個(gè)對該多播組感興趣的設(shè)備監(jiān)聽到了該聲明，它無需再明確提出聲明。 （3） 交換機(jī)在某一端口監(jiān)聽到對某一多播組的聲明時(shí)，它在該端口為該多播組添加一個(gè)注冊信息。當(dāng)聲明某一多播組服務(wù)的所有設(shè)備都離開后，交換機(jī)將向其他交換機(jī)注銷掉對該多播組的聲明。 （4） 交換機(jī)會(huì)把一個(gè)端口的注冊信息向其他端口廣播，同時(shí)多播注冊信息將沿生成樹進(jìn)行廣播。 6. 四種多播方式的對比分析 在表1 中對上述四種多播通信方式進(jìn)行了對比。除VLAN 外，其他幾種多播方式都是針對多播通信特點(diǎn)設(shè)計(jì)的多播解決方案，它們本質(zhì)上都是通過某種方法來構(gòu)建二層的多播樹，并減少網(wǎng)絡(luò)上不必要的數(shù)據(jù)傳輸。雖然在控制領(lǐng)域有不少學(xué)者提出用VLAN 來解決交換式工業(yè)以太網(wǎng)中的多播問題，但通過第2 小節(jié)的分析可知，VLAN 并不是多播通信的理想解決辦法。它只適合具有較少“生產(chǎn)者－消費(fèi)者”數(shù)據(jù)組成員個(gè)數(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)，而且不同VLAN 之間的通信應(yīng)限制在一定流量內(nèi)，因?yàn)樗鼈儽仨毻ㄟ^路由器轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)不同VLAN 之間的通信流量較大時(shí)，路由器就會(huì)成為控制網(wǎng)絡(luò)中的通信瓶頸。因此用VLAN 來實(shí)現(xiàn)多播的應(yīng)限制在小型的控制網(wǎng)絡(luò)中。 [align=center] 表1 四種多播方式的對比[/align] 使用CGMP 協(xié)議時(shí)，由路由器根據(jù)接收到的IGMP 報(bào)文構(gòu)建CGMP 報(bào)文然后再發(fā)送給交換機(jī)進(jìn)行二層多播配置，因此在使用CGMP 協(xié)議時(shí)，多播路由器是必須的設(shè)備。當(dāng)使用IP 竊聽時(shí)，由于交換機(jī)可以代替多播路由器來解析IGMP 信息，通過適當(dāng)?shù)呐渲�，進(jìn)行多播配置時(shí)可以不需要路由器的介入，而由交換機(jī)代理路由器的相關(guān)功能。IGMP 竊聽方法和CGMP 協(xié)議的提出都是源于互聯(lián)網(wǎng)上多媒體通信快速增長的需要，它們在構(gòu)建二層的多播樹時(shí)都利用了三層網(wǎng)絡(luò)上的IGMP 報(bào)文信息，二層的多播地址是由三層的IP 多播地址轉(zhuǎn)換得到的，因此參加二層多播的工作站也必須配置三層的IP 多播地址。另一方面，CGMP 和IP 竊聽都是專有的多播解決方案，其中CGMP 只被Cisco 的交換機(jī)和路由器支持，相比之下，IP 竊聽方法有多個(gè)交換機(jī)廠商支持，但其實(shí)現(xiàn)方法并沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 GMRP 的提出一方面是源于互聯(lián)網(wǎng)上多媒體多播通信快速增長的需要，另一方面也是交換式以太網(wǎng)普遍采用提出的要求（在共享式以太網(wǎng)中不存在多播通信消耗大量帶寬的情況）。CMRP 是純二層的協(xié)議，它所使用的GARP 注冊協(xié)議也同時(shí)被VLAN 采用來注冊各個(gè)工作站的VLAN 屬性（GVRP，GARP VLAN Registration Protocol），因此在以太網(wǎng)交換機(jī)中，CMRP 會(huì)獲得越來越廣泛的支持。在使用GMRP 時(shí)，工作站的網(wǎng)絡(luò)接口卡和協(xié)議棧也必須提供對GMRP 的支持，但現(xiàn)有設(shè)備和系統(tǒng)的協(xié)議棧對GMRP 的支持并不充分。 因此在工業(yè)交換式以太網(wǎng)中，目前可考慮采用CGMP 或IP 竊聽來解決實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的多播問題，待工作站的接口卡和系統(tǒng)的協(xié)議棧對GMRP 做出相應(yīng)改進(jìn)后，逐漸過渡到使用GMRP來解決二層控制網(wǎng)絡(luò)中的多播問題。 7. 總結(jié) 本文分析了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信特點(diǎn)：即存在大量多播數(shù)據(jù)，并介紹了目前交換式以太網(wǎng)中比較常用的四種多播方法：VLAN，IGMP 竊聽，CGMP，GMRP，對它們的特點(diǎn)進(jìn)行了對比分析，指出了各自的使用范圍。另一方面，由于交換機(jī)的學(xué)習(xí)注冊過程需要一定時(shí)間，如果在這段時(shí)間內(nèi)傳送數(shù)據(jù)，對于未知的多播地址，交換機(jī)仍然以廣播的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，依然會(huì)導(dǎo)致廣播風(fēng)暴，引起控制網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性。因此在各工作站正式通信前，有必要引入一個(gè)學(xué)習(xí)期，使各個(gè)站點(diǎn)有足夠的時(shí)間進(jìn)行多播地址的注冊，在這段時(shí)間內(nèi)，交換機(jī)也可以學(xué)習(xí)各個(gè)工作站的單播地址，從而在正式傳送控制數(shù)據(jù)時(shí)盡可能地減少網(wǎng)絡(luò)上的廣播數(shù)據(jù)。 參考文獻(xiàn) [1] IEEE Std 802.1Q. 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