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西氣東輸江都如東線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構的規劃論文
引言
江都 -如東線(xiàn)自投產(chǎn)以來(lái)，各站場(chǎng)頻繁發(fā)生網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴，多個(gè)站場(chǎng)的監控管理與數據采集系統( Supervisory Control and DataAcquisition. 簡(jiǎn)稱(chēng) SCADA) 系統局域網(wǎng)內的設備同時(shí)出現通訊中斷或閃斷，緊急截斷系統( Emergency ShutDown. 簡(jiǎn)稱(chēng) ESD) 系統報錯并停止運行，站場(chǎng)與北京調控中心通訊中斷，嚴重影響了站場(chǎng)生產(chǎn)的安全平穩運行。
1 江都 - 如東線(xiàn)系統介紹
江都 -如東線(xiàn)由冀寧管道江都站起，向東經(jīng)泰州站、泰興站、如皋站、南通站最后到達如東站，站場(chǎng)與站場(chǎng)之間共設有 11 座RTU 閥室。江都 - 如東線(xiàn)是西氣東輸管道工程建設重要的管線(xiàn)，地理位置關(guān)鍵，分輸任務(wù)艱巨，負責江蘇中部地區及長(cháng)三角地區的能源供給，年設計輸量135 億方。1. 1 站場(chǎng)間網(wǎng)絡(luò )架構在江都 -如東線(xiàn)，站場(chǎng)SCADA 系統和閥室RTU 系統均連接至 SIXNET 交換機，各站場(chǎng)、RTU 閥室之間的 SIXNET 交換機互相級聯(lián)，實(shí)現站場(chǎng)與站場(chǎng)，站場(chǎng)與 RTU 閥室之間的通訊。( 圖 1)RTU 閥室同時(shí)將數據傳遞至上游站場(chǎng)和下游站場(chǎng)，再由通過(guò)站內網(wǎng)絡(luò )發(fā)送至站場(chǎng) HMI 和北京調控中心 HMI。圖1 站場(chǎng)間網(wǎng)絡(luò )架構示意圖1. 2 站場(chǎng)內網(wǎng)絡(luò )架構站場(chǎng) SCADA 系統的核心網(wǎng)絡(luò )設備為思科交換機和路由器。PLC 系統、ESD 系統、遠程通訊接口服務(wù)器、路由器和 SIXNET 交換機均連接至思科交換機，由交換機負責站內數據的轉發(fā)。一旦思科交換機運行不穩定，會(huì )導致站場(chǎng)內所有設備出現通訊中斷或閃斷。思科路由器作為站場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)關(guān)，連接北京調控中心與站場(chǎng) SCADA 系統，負責站場(chǎng)與北京調控中心) 的數據轉發(fā)，若路由器運行不平穩，會(huì )導致站場(chǎng)與北京調控中心出現通訊中斷。
2 江都 - 如東線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構的優(yōu)化
網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴產(chǎn)生的原因很多，包括網(wǎng)卡或網(wǎng)絡(luò )設備故障，網(wǎng)絡(luò )環(huán)路誘發(fā)，網(wǎng)絡(luò )病毒和軟件的攻擊等。從江都 -如東線(xiàn)歷次網(wǎng)絡(luò )故障來(lái)看，由網(wǎng)卡或網(wǎng)絡(luò )設備故障引起的網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴幾乎占故障總數的全部，這類(lèi)網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴很難從源頭上根除，但是可以通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )架構，以縮小影響范圍，降低對系統的危害。
2. 1 站場(chǎng)間網(wǎng)絡(luò )架構的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )架構優(yōu)化前，江都 - 如東線(xiàn)的所有站場(chǎng)與 RTU 閥室同在一個(gè)廣播域中，當網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴出現時(shí)，大量的廣播包從一個(gè)站場(chǎng)擴散到整條江都 -如東線(xiàn)，導致整條線(xiàn)路上的站場(chǎng)和 RTU 閥室同時(shí)出現網(wǎng)絡(luò )故障。為了減小網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴的危害范圍，對站場(chǎng)重新劃分 VLAN，對站與站之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )隔離。在各站場(chǎng)的 SIXNET交換機上，為站場(chǎng)分配不同的 VLAN ID，不同 ID 的站場(chǎng)不能通過(guò)SIXNET 交換機進(jìn)行通訊，VLAN 的劃分分別是: 江都站 VLAN101，泰州站為 VLAN 102，泰興站為 VLAN 103，如皋站為 VLAN104，南通站為 VLAN 105，如東站為 VLAN 106。RTU 閥室將連接至上游站場(chǎng)的接口分配上游的 VLAN ID，連接至下游站場(chǎng)的接口分配下游的 VLAN ID。修改完畢后，站場(chǎng)之間的數據鏈路層通訊被隔斷，各站場(chǎng)處于不同的廣播域中，若出現網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴，站場(chǎng)間不會(huì )相互影響，縮小了網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴的危害范圍，提升了網(wǎng)絡(luò )通訊質(zhì)量。
2. 2 站場(chǎng)內 SCADA 系統的優(yōu)化
2. 2. 1 環(huán)網(wǎng)的處理
江都 -如東線(xiàn)站場(chǎng) ESD 系統與兩個(gè)思科交換機之間存在物理上的網(wǎng)絡(luò )環(huán)路，雖然環(huán)路可以增強網(wǎng)絡(luò )的冗余性能，但也可能引起網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴或加重網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴的危害。優(yōu)化前，思科交換機上已經(jīng)啟動(dòng)了生成樹(shù)協(xié)議，阻塞了交換機的級聯(lián)接口( 圖2) 。雖然環(huán)網(wǎng)已經(jīng)被阻斷，卻引發(fā)了另外一個(gè)后果，即 ESD 系統承擔了在兩交換機之間轉發(fā)數據包的職能。當網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴出現時(shí)，ESD 系統不得不同時(shí)處理大量的廣播包，當數據包的數量超過(guò) ESD 系統的處理能力時(shí)，ESD 系統會(huì )報錯并且停止運行。
為了在阻斷環(huán)網(wǎng)的同時(shí)減輕 ESD 系統的負荷，對環(huán)網(wǎng)進(jìn)行處理。在思科交換機上，手動(dòng)將交換機級聯(lián)接口的開(kāi)銷(xiāo)設為環(huán)網(wǎng)路徑的最小開(kāi)銷(xiāo)，生成樹(shù)圖2 優(yōu)化前環(huán)網(wǎng)架構協(xié)議根據算法阻斷開(kāi)銷(xiāo)更高的路徑，即原有的 ESD系統與思科交換機之間的路徑，而啟用思科交換機圖3 優(yōu)化后環(huán)網(wǎng)架構之間路徑( 圖 3) 。通過(guò)以上方法，使思科交換機能夠通過(guò)級聯(lián)路徑直接進(jìn)行通訊，不必通過(guò) ESD 系統，減少了 ESD 系統的負擔。
2. 2. 2 禁用路由器的多余廣播
江都 -如東線(xiàn)思科路由器上配置了 EIGRP 和 OSPF 兩種動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，兩種協(xié)議均會(huì )周期性的向站內局域網(wǎng)廣播路由器更新。而兩臺思科路由器分別接到兩臺思科交換機，未與其他路由器直接相連，因此向站內廣播的更新無(wú)任何路由器能夠接收。為提升網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量，將思科路由器連接站內的接口設置為被動(dòng)接口，即不主動(dòng)廣播路由更新。通過(guò)以上方法，減少了站內局域網(wǎng)的多余廣播，提升了網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量。
2. 2. 3 接口風(fēng)暴控制
為降低網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴的危害，對思科交換機、SIXNET 交換機之間的級聯(lián)接口進(jìn)行風(fēng)暴控制，對廣播包進(jìn)行過(guò)濾，限制這些接口轉發(fā)過(guò)多的廣播包。
長(cháng)時(shí)間對站場(chǎng)正常運行時(shí)的網(wǎng)絡(luò )數據包收發(fā)情況進(jìn)行監測，發(fā)現思科交換機之間的最大通訊帶寬不超過(guò)80 kbit，思科交換機與 SIXNET 交換機的最大通訊帶寬不超過(guò)20 kbit。根據測試數據對思科交換機進(jìn)行配置，將思科交換機級聯(lián)接口的廣播流量限制設為接口帶寬( 100 Mbit) 的 0.1%，將思科交換機與站場(chǎng) SIXNET 交換機級聯(lián)接口的廣播流量限制設為接口帶寬的0.05%。當接口的廣播超過(guò)限制值時(shí)，多余的廣播包會(huì )被丟棄。
通過(guò)以上設置，對網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴產(chǎn)生的海量廣播包進(jìn)行了有效的控制。
2. 2. 4 ESD 系統參數的優(yōu)化
ESD系統作為站場(chǎng)的安全儀表系統，當站場(chǎng)工藝處于危險狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)將工藝停止并置于安全狀態(tài)。ESD 系統處理器一方面運行內存中的應用程序，另一方面處理外部設備發(fā)送來(lái)的數據，當站場(chǎng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴時(shí)，轉發(fā)而來(lái)的過(guò)多廣播包加重了 ESD 系統的負荷，導致 ESD 系統不能在規定時(shí)間內運行完內存中的程序，自診斷程序誤判斷應用程序出錯，將系統停運。
網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴引起的 ESD 系統停運，極大影響了站場(chǎng)的安全性。為降低系統停運的可能性，對系統參數進(jìn)行優(yōu)化。根據模擬測試情況，對參數進(jìn)行優(yōu)化( 表1) 。
3 結束語(yǔ)
對江都 -如東線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )架構優(yōu)化后，進(jìn)行了為期1 年的試運行，期間江都 -如東線(xiàn)站場(chǎng) SCADA 系統局域網(wǎng)內出現所有設備通訊中斷或閃斷0 次，ESD 系統報錯停運 0 次，正常運行時(shí)站場(chǎng)的數據包由原有的 70 packet/s 降為不到 10 packet/s。試運行結果顯示: 網(wǎng)絡(luò )架構的優(yōu)化達到既定目標，網(wǎng)絡(luò )通訊的質(zhì)量、可靠性和安全性得到了極大的提高。
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