【工控技术】如何减少大数据量对工业网络的影响

1 问题描述

随着以太网技术在工业网络的大量普及，工业以太网现场的规模逐步扩大，如图 1 网络，除了传统的工业控制设备外，例如高清摄像头等视频系统也会连接在现场的网络中。而类似高清摄像头等此类设备，数据流量很大，会占用大量的带宽，如果不对网络加以管理，有可能造成网络的堵塞，严重的影响通讯。

<图 1 网络>

2 测试

对于大数据流量对带宽的占用，我们可能无法很直观的体会出来，这里我们通过一个测试：通过 SNMP 软件(简单网络管理协议)观察 PLC 端口的输入流量。如图 2，这里使用的是 ZOHO（卓豪）公司的 ManageEngine 网络管理软件。

ManageEngine 网络管理软件可以通过 SNMP 协议访问 PLC 以太网接口的 MIB 变量，“ifInOctets”/“ifOutOctets”分别表示端口的输入/输出字节数。

<图 2 SNMP 管理软件>

如图3，在网络上没有大数据流量时，输入（红色）/输出（绿色）端口状态曲线。

<图 3 PLC 端口一般状态的趋势图>

如果此时，网络中接入视频信号，比如 VLC 播放器，可以通过组播发送数据流，如图 4。通过 Wireshark 的软件抓包可以看到，此时网络上会有大量的 UDP 组播数据包存在，如图5。

<图 4 VLC 发送组播数据流>

<图 5 组播数据流>

这样的情况下，网络中如果使用了不支持组播管理的交换机（比如 Scalance X300 以下）；或者交换机支持组播管理，但是没有激活。组播报文将会以泛洪的形式在交换机的每个端口转发。

对于 PLC 的端口，很显然并不会作为视频的最终用户，但是此时也会收到组播数据包。如图6，接收到组播数据流的 PLC 端口流量趋势图，端口的流量会有很明显的增加。那可以试想，如果此时接入的是数据流更大的高清视频，而且是很多路，则带来的后果可想而知。

<图 6 PLC 端口接收到组播的趋势图>

3 解决方案

因此，为了解决上面测试中 UDP 组播数据包泛洪转发的问题，首先应该在选型中使用支持组播管理的交换机。SCALANCE X 交换机在组播管理上使用 “IGMP Snooping”功能，通过对交换机端口接收到的 Report 报文进行分析，并在交换机中建立相应的组播 MAC 地址与端口的对应表项，从而实现组播数据包的二层快速转发静态指定。

如图 7，在交换机管理页面中激活“IGMP Snooping”功能；如果网络中有多台交换机，至少有一台激活“IGMP Querier”，如图 8。