西氣東輸江都到如東線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化論文
引言
江都 -如東線自投產(chǎn)以來，各站場(chǎng)頻繁發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，多個(gè)站場(chǎng)的監(jiān)控管理與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)( Supervisory Control and DataAcquisition. 簡(jiǎn)稱 SCADA) 系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)通訊中斷或閃斷，緊急截?cái)嘞到y(tǒng)( Emergency ShutDown. 簡(jiǎn)稱 ESD) 系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)并停止運(yùn)行，站場(chǎng)與北京調(diào)控中心通訊中斷，嚴(yán)重影響了站場(chǎng)生產(chǎn)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。
1 江都 - 如東線系統(tǒng)介紹
江都 -如東線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(dá)如東站，站場(chǎng)與站場(chǎng)之間共設(shè)有 11 座RTU 閥室。江都 - 如東線是西氣東輸管道工程建設(shè)重要的管線，地理位置關(guān)鍵，分輸任務(wù)艱巨，負(fù)責(zé)江蘇中部地區(qū)及長(zhǎng)三角地區(qū)的能源供給，年設(shè)計(jì)輸量135 億方。1. 1 站場(chǎng)間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在江都 -如東線，站場(chǎng)SCADA 系統(tǒng)和閥室RTU 系統(tǒng)均連接至 SIXNET 交換機(jī)，各站場(chǎng)、RTU 閥室之間的 SIXNET 交換機(jī)互相級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)傳遞至上游站場(chǎng)和下游站場(chǎng)，再由通過站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至站場(chǎng) HMI 和北京調(diào)控中心 HMI。圖1 站場(chǎng)間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖1. 2 站場(chǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)站場(chǎng) SCADA 系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為思科交換機(jī)和路由器。PLC 系統(tǒng)、ESD 系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通訊接口服務(wù)器、路由器和 SIXNET 交換機(jī)均連接至思科交換機(jī)，由交換機(jī)負(fù)責(zé)站內(nèi)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。一旦思科交換機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致站場(chǎng)內(nèi)所有設(shè)備出現(xiàn)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(diào)控中心與站場(chǎng) SCADA 系統(tǒng)，負(fù)責(zé)站場(chǎng)與北京調(diào)控中心) 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[1]，若路由器運(yùn)行不平穩(wěn)，會(huì)導(dǎo)致站場(chǎng)與北京調(diào)控中心出現(xiàn)通訊中斷。
2 江都 - 如東線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴產(chǎn)生的原因
網(wǎng)卡或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障，網(wǎng)絡(luò)環(huán)路誘發(fā)，網(wǎng)絡(luò)病毒和惡意軟件的攻擊等。從江都 -如東線歷次網(wǎng)絡(luò)故障來看，由網(wǎng)卡或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障引起的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴幾乎占故障總數(shù)的全部，這類網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴很難從源頭上根除，但是可以通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以縮小影響范圍，降低對(duì)系統(tǒng)的危害。
2. 1 站場(chǎng)間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化前，江都 - 如東線的所有站場(chǎng)與 RTU 閥室同在一個(gè)廣播域中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴出現(xiàn)時(shí)，大量的廣播包從一個(gè)站場(chǎng)擴(kuò)散到整條江都 -如東線，導(dǎo)致整條線路上的站場(chǎng)和 RTU 閥室同時(shí)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障。為了減小網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的危害范圍，對(duì)站場(chǎng)重新劃分 VLAN，對(duì)站與站之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)隔離。在各站場(chǎng)的 SIXNET交換機(jī)上，為站場(chǎng)分配不同的 VLAN ID，不同 ID 的站場(chǎng)不能通過SIXNET 交換機(jī)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(shù)據(jù)鏈路層通訊被隔斷，各站場(chǎng)處于不同的廣播域中，若出現(xiàn)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(nèi) SCADA 系統(tǒng)的優(yōu)化
2. 2. 1 環(huán)網(wǎng)的處理江都 -如東線站場(chǎng) ESD 系統(tǒng)與兩個(gè)思科交換機(jī)之間存在物理上的網(wǎng)絡(luò)環(huán)路，雖然環(huán)路可以增強(qiáng)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(jī)上已經(jīng)啟動(dòng)了生成樹協(xié)議，阻塞了交換機(jī)的級(jí)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(tǒng)承擔(dān)了在兩交換機(jī)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的職能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴出現(xiàn)時(shí)，ESD 系統(tǒng)不得不同時(shí)處理大量的廣播包，當(dāng)數(shù)據(jù)包的數(shù)量超過 ESD 系統(tǒng)的處理能力時(shí)，ESD 系統(tǒng)會(huì)報(bào)錯(cuò)并且停止運(yùn)行。
為了在阻斷環(huán)網(wǎng)的同時(shí)減輕 ESD 系統(tǒng)的負(fù)荷，對(duì)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行處理。在思科交換機(jī)上，手動(dòng)將交換機(jī)級(jí)聯(lián)接口的開銷設(shè)為環(huán)網(wǎng)路徑的最小開銷，生成樹圖2 優(yōu)化前環(huán)網(wǎng)架構(gòu)協(xié)議根據(jù)算法阻斷開銷更高的路徑，即原有的 ESD系統(tǒng)與思科交換機(jī)之間的路徑，而啟用思科交換機(jī)圖3 優(yōu)化后環(huán)網(wǎng)架構(gòu)之間路徑( 圖 3) 。通過以上方法，使思科交換機(jī)能夠通過級(jí)聯(lián)路徑直接進(jìn)行通訊，不必通過 ESD 系統(tǒng)，減少了 ESD 系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。2. 2. 2 禁用路由器的多余廣播江都 -如東線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(nèi)局域網(wǎng)廣播路由器更新。而兩臺(tái)思科路由器分別接到兩臺(tái)思科交換機(jī)，未與其他路由器直接相連，因此向站內(nèi)廣播的更新無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(nèi)的接口設(shè)置為被動(dòng)接口，即不主動(dòng)廣播路由更新[5]。通過以上方法，減少了站內(nèi)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(duì)思科交換機(jī)、SIXNET 交換機(jī)之間的級(jí)聯(lián)接口進(jìn)行風(fēng)暴控制，對(duì)廣播包進(jìn)行過濾，限制這些接口轉(zhuǎn)發(fā)過多的廣播包。長(zhǎng)時(shí)間對(duì)站場(chǎng)正常運(yùn)行時(shí)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包收發(fā)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)思科交換機(jī)之間的最大通訊帶寬不超過80 kbit，思科交換機(jī)與 SIXNET 交換機(jī)的最大通訊帶寬不超過20 kbit。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)思科交換機(jī)進(jìn)行配置，將思科交換機(jī)級(jí)聯(lián)接口的廣播流量限制設(shè)為接口帶寬( 100 Mbit) 的 0.1%，將思科交換機(jī)與站場(chǎng) SIXNET 交換機(jī)級(jí)聯(lián)接口的廣播流量限制設(shè)為接口帶寬的0.05%。
當(dāng)接口的廣播超過限制值時(shí)，多余的廣播包會(huì)被丟棄。通過以上設(shè)置，對(duì)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(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化ESD 系統(tǒng)作為站場(chǎng)的安全儀表系統(tǒng)，當(dāng)站場(chǎng)工藝處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)將工藝停止并置于安全狀態(tài)。ESD 系統(tǒng)處理器一方面運(yùn)行內(nèi)存中的應(yīng)用程序，另一方面處理外部設(shè)備發(fā)送來的數(shù)據(jù)，當(dāng)站場(chǎng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)而來的過多廣播包加重了 ESD 系統(tǒng)的負(fù)荷，導(dǎo)致 ESD 系統(tǒng)不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)運(yùn)行完內(nèi)存中的程序，自診斷程序誤判斷應(yīng)用程序出錯(cuò)，將系統(tǒng)停運(yùn)。網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴引起的 ESD 系統(tǒng)停運(yùn)，極大影響了站場(chǎng)的安全性。為降低系統(tǒng)停運(yùn)的可能性，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)模擬測(cè)試情況，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化 。
3 結(jié)束語
對(duì)江都 -如東線的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化后，進(jìn)行了為期1 年的試運(yùn)行，期間江都 -如東線站場(chǎng) SCADA 系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)所有設(shè)備通訊中斷或閃斷0 次，ESD 系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)停運(yùn) 0 次，正常運(yùn)行時(shí)站場(chǎng)的數(shù)據(jù)包由原有的 70 packet/s 降為不到 10 packet/s。試運(yùn)行結(jié)果顯示: 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化達(dá)到既定目標(biāo)，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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