西气东输江都到如东线网络架构的优化论文
引言
江都 -如东线自投产以来，各站场频繁发生网络风暴，多个站场的监控管理与数据采集系统( Supervisory Control and DataAcquisition. 简称 SCADA) 系统局域网内的设备同时出现通讯中断或闪断，紧急截断系统( Emergency ShutDown. 简称 ESD) 系统报错并停止运行，站场与北京调控中心通讯中断，严重影响了站场生产的安全平稳运行。
1 江都 - 如东线系统介绍
江都 -如东线由冀宁管道江都站起，向东经泰州站、泰兴站、如皋站、南通站最后到达如东站，站场与站场之间共设有 11 座RTU 阀室。江都 - 如东线是西气东输管道工程建设重要的管线，地理位置关键，分输任务艰巨，负责江苏中部地区及长三角地区的能源供给，年设计输量135 亿方。1. 1 站场间网络架构在江都 -如东线，站场SCADA 系统和阀室RTU 系统均连接至 SIXNET 交换机，各站场、RTU 阀室之间的 SIXNET 交换机互相级联，实现站场与站场，站场与 RTU 阀室之间的通讯。( 图 1)RTU 阀室同时将数据传递至上游站场和下游站场，再由通过站内网络发送至站场 HMI 和北京调控中心 HMI。图1 站场间网络架构示意图1. 2 站场内网络架构站场 SCADA 系统的核心网络设备为思科交换机和路由器。PLC 系统、ESD 系统、远程通讯接口服务器、路由器和 SIXNET 交换机均连接至思科交换机，由交换机负责站内数据的转发。一旦思科交换机运行不稳定，会导致站场内所有设备出现通讯中断或闪断。思科路由器作为站场网络的网关，连接北京调控中心与站场 SCADA 系统，负责站场与北京调控中心) 的数据转发[1]，若路由器运行不平稳，会导致站场与北京调控中心出现通讯中断。
2 江都 - 如东线网络架构的优化网络风暴产生的原因
网卡或网络设备故障，网络环路诱发，网络病毒和恶意软件的攻击等。从江都 -如东线历次网络故障来看，由网卡或网络设备故障引起的网络风暴几乎占故障总数的全部，这类网络风暴很难从源头上根除，但是可以通过优化网络架构，以缩小影响范围，降低对系统的危害。
2. 1 站场间网络架构的优化网络架构优化前，江都 - 如东线的所有站场与 RTU 阀室同在一个广播域中，当网络风暴出现时，大量的广播包从一个站场扩散到整条江都 -如东线，导致整条线路上的站场和 RTU 阀室同时出现网络故障。为了减小网络风暴的危害范围，对站场重新划分 VLAN，对站与站之间进行网络隔离。在各站场的 SIXNET交换机上，为站场分配不同的 VLAN ID，不同 ID 的站场不能通过SIXNET 交换机进行通讯，VLAN 的.划分分别是: 江都站 VLAN101，泰州站为 VLAN 102，泰兴站为 VLAN 103，如皋站为 VLAN104，南通站为 VLAN 105，如东站为 VLAN 106。RTU 阀室将连接至上游站场的接口分配上游的 VLAN ID，连接至下游站场的接口分配下游的 VLAN ID。修改完毕后，站场之间的数据链路层通讯被隔断，各站场处于不同的广播域中，若出现网络风暴，站场间不会相互影响，缩小了网络风暴的危害范围，提升了网络通讯质量。
2. 2 站场内 SCADA 系统的优化
2. 2. 1 环网的处理江都 -如东线站场 ESD 系统与两个思科交换机之间存在物理上的网络环路，虽然环路可以增强网络的冗余性能，但也可能引起网络风暴或加重网络风暴的危害。优化前，思科交换机上已经启动了生成树协议，阻塞了交换机的级联接口( 图2) 。虽然环网已经被阻断，却引发了另外一个后果，即 ESD 系统承担了在两交换机之间转发数据包的职能。当网络风暴出现时，ESD 系统不得不同时处理大量的广播包，当数据包的数量超过 ESD 系统的处理能力时，ESD 系统会报错并且停止运行。
为了在阻断环网的同时减轻 ESD 系统的负荷，对环网进行处理。在思科交换机上，手动将交换机级联接口的开销设为环网路径的最小开销，生成树图2 优化前环网架构协议根据算法阻断开销更高的路径，即原有的 ESD系统与思科交换机之间的路径，而启用思科交换机图3 优化后环网架构之间路径( 图 3) 。通过以上方法，使思科交换机能够通过级联路径直接进行通讯，不必通过 ESD 系统，减少了 ESD 系统的负担。2. 2. 2 禁用路由器的多余广播江都 -如东线思科路由器上配置了 EIGRP 和 OSPF 两种动态路由协议，两种协议均会周期性的向站内局域网广播路由器更新。而两台思科路由器分别接到两台思科交换机，未与其他路由器直接相连，因此向站内广播的更新无任何路由器能够接收。为提升网络质量，将思科路由器连接站内的接口设置为被动接口，即不主动广播路由更新[5]。通过以上方法，减少了站内局域网的多余广播，提升了网络质量。2. 2. 3 接口风暴控制为降低网络风暴的危害，对思科交换机、SIXNET 交换机之间的级联接口进行风暴控制，对广播包进行过滤，限制这些接口转发过多的广播包。长时间对站场正常运行时的网络数据包收发情况进行监测，发现思科交换机之间的最大通讯带宽不超过80 kbit，思科交换机与 SIXNET 交换机的最大通讯带宽不超过20 kbit。根据测试数据对思科交换机进行配置，将思科交换机级联接口的广播流量限制设为接口带宽( 100 Mbit) 的 0.1%，将思科交换机与站场 SIXNET 交换机级联接口的广播流量限制设为接口带宽的0.05%。
当接口的广播超过限制值时，多余的广播包会被丢弃。通过以上设置，对网络风暴产生的海量广播包进行了有效的控制。2. 2. 4 ESD 系统参数的优化ESD 系统作为站场的安全仪表系统，当站场工艺处于危险状态时，自动将工艺停止并置于安全状态。ESD 系统处理器一方面运行内存中的应用程序，另一方面处理外部设备发送来的数据，当站场发生网络风暴时，转发而来的过多广播包加重了 ESD 系统的负荷，导致 ESD 系统不能在规定时间内运行完内存中的程序，自诊断程序误判断应用程序出错，将系统停运。网络风暴引起的 ESD 系统停运，极大影响了站场的安全性。为降低系统停运的可能性，对系统参数进行优化。根据模拟测试情况，对参数进行优化 。
3 结束语
对江都 -如东线的网络架构优化后，进行了为期1 年的试运行，期间江都 -如东线站场 SCADA 系统局域网内出现所有设备通讯中断或闪断0 次，ESD 系统报错停运 0 次，正常运行时站场的数据包由原有的 70 packet/s 降为不到 10 packet/s。试运行结果显示: 网络架构的优化达到既定目标，网络通讯的质量、可靠性和安全性得到了极大的提高。
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