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，各站場頻繁發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風暴，多個站場的監(jiān)控管理與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)( Supervisory Control and DataAcquisition. 簡稱 SCADA) 系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備同時出現(xiàn)通訊中斷或閃斷，緊急截斷系統(tǒng)( Emergency ShutDown. 簡稱 ESD) 系統(tǒng)報錯并停止運行，站場與北京調(diào)控中心通訊中斷，嚴重影響了站場生產(chǎn)的安全平穩(wěn)運行。
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、南通站最后到達如東站，站場與站場之間共設(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，負責江蘇中部地區(qū)及長三角地區(qū)的能源供給，年設(shè)計輸量135 億方。1. 1 站場間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在江都 -如東線，站場SCADA 系統(tǒng)和閥室RTU 系統(tǒng)均連接至 SIXNET 交換機，各站場、RTU 閥室之間的 SIXNET 交換機互相級聯(lián)，實現(xiàn)站場與站場，站場與 RTU 閥室之間的通訊。( 圖 1)RTU 閥室同時將數(shù)據(jù)傳遞至上游站場和下游站場，再由通過站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至站場 HMI 和北京調(diào)控中心 HMI。圖1 站場間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖1. 2 站場內(nèi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)站場 SCADA 系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為思科交換機和路由器。PLC 系統(tǒng)、ESD 系統(tǒng)、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(nèi)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。一旦思科交換機運行不穩(wěn)定，會導致站場內(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網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，連接北京調(diào)控中心與站場 SCADA 系統(tǒng)，負責站場與北京調(diào)控中心) 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[1]，若路由器運行不平穩(wěn)，會導致站場與北京調(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)風暴幾乎占故障總數(shù)的全部，這類網(wǎng)絡(luò)風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，降低對系統(tǒng)的危害。
2. 1 站場間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化前，江都 - 如東線的所有站場與 RTU 閥室同在一個廣播域中，當網(wǎng)絡(luò)風暴出現(xiàn)時，大量的廣播包從一個站場擴散到整條江都 -如東線，導致整條線路上的站場和 RTU 閥室同時出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障。為了減小網(wǎng)絡(luò)風暴的危害范圍，對站場重新劃分 VLAN，對站與站之間進行網(wǎng)絡(luò)隔離。在各站場的 SIXNET交換機上，為站場分配不同的 VLAN ID，不同 ID 的站場不能通過SIXNET 交換機進行通訊，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的接口分配上游的 VLAN ID，連接至下游站場的接口分配下游的 VLAN ID。修改完畢后，站場之間的數(shù)據(jù)鏈路層通訊被隔斷，各站場處于不同的廣播域中，若出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)風暴，站場間不會相互影響，縮小了網(wǎng)絡(luò)風暴的危害范圍，提升了網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量。
2. 2 站場內(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 ESD 系統(tǒng)與兩個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)風暴或加重網(wǎng)絡(luò)風暴的危害。優(yōu)化前，思科交換機上已經(jīng)啟動了生成樹協(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)了另外一個后果，即 ESD 系統(tǒng)承擔了在兩交換機之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的職能。當網(wǎng)絡(luò)風暴出現(xiàn)時，ESD 系統(tǒng)不得不同時處理大量的廣播包，當數(shù)據(jù)包的數(shù)量超過 ESD 系統(tǒng)的處理能力時，ESD 系統(tǒng)會報錯并且停止運行。
為了在阻斷環(huán)網(wǎng)的同時減輕 ESD 系統(tǒng)的負荷，對環(huán)網(wǎng)進行處理。在思科交換機上，手動將交換機級聯(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(gòu)之間路徑( 圖 3) 。通過以上方法，使思科交換機能夠通過級聯(lián)路徑直接進行通訊，不必通過 ESD 系統(tǒng)，減少了 ESD 系統(tǒng)的負擔。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 兩種動態(tài)路由協(xié)議，兩種協(xié)議均會周期性的向站內(nèi)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(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)置為被動接口，即不主動廣播路由更新[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 接口風暴控制為降低網(wǎng)絡(luò)風暴的危害，對思科交換機、SIXNET 交換機之間的級聯(lián)接口進行風暴控制，對廣播包進行過濾，限制這些接口轉(zhuǎn)發(fā)過多的廣播包。長時間對站場正常運行時的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包收發(fā)情況進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)思科交換機之間的最大通訊帶寬不超過80 kbit，思科交換機與 SIXNET 交換機的最大通訊帶寬不超過20 kbit。根據(jù)測試數(shù)據(jù)對思科交換機進行配置，將思科交換機級聯(lián)接口的廣播流量限制設(shè)為接口帶寬( 100 Mbit) 的 0.1%，將思科交換機與站場 SIXNET 交換機級聯(lián)接口的廣播流量限制設(shè)為接口帶寬的0.05%。
當接口的廣播超過限制值時，多余的廣播包會被丟棄。通過以上設(shè)置，對網(wǎng)絡(luò)風暴產(chǎn)生的海量廣播包進行了有效的控制。2. 2. 4 ESD 系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化ESD 系統(tǒng)作為站場的安全儀表系統(tǒng)，當站場工藝處于危險狀態(tài)時，自動將工藝停止并置于安全狀態(tài)。ESD 系統(tǒng)處理器一方面運行內(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)，當站場發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風暴時，轉(zhuǎn)發(fā)而來的過多廣播包加重了 ESD 系統(tǒng)的負荷，導致 ESD 系統(tǒng)不能在規(guī)定時間內(nèi)運行完內(nèi)存中的程序，自診斷程序誤判斷應(yīng)用程序出錯，將系統(tǒng)停運。網(wǎng)絡(luò)風暴引起的 ESD 系統(tǒng)停運，極大影響了站場的安全性。為降低系統(tǒng)停運的可能性，對系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化。根據(jù)模擬測試情況，對參數(shù)進行優(yōu)化 。
3 結(jié)束語
對江都 -如東線的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化后，進行了為期1 年的試運行，期間江都 -如東線站場 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)報錯停運 0 次，正常運行時站場的數(shù)據(jù)包由原有的 70 packet/s 降為不到 10 packet/s。試運行結(jié)果顯示: 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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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