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西氣東輸江都到如東線網絡架構的優化論文
引言
江都 -如東線自投產以來，各站場頻繁發生網絡風暴，多個站場的監控管理與數據采集系統( Supervisory Control and DataAcquisition. 簡稱 SCADA) 系統局域網內的設備同時出現通訊中斷或閃斷，緊急截斷系統( Emergency ShutDown. 簡稱 ESD) 系統報錯并停止運行，站場與北京調控中心通訊中斷，嚴重影響了站場生產的安全平穩運行。
1 江都 - 如東線系統介紹
江都 -如東線由冀寧管道江都站起，向東經泰州站、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有 11 座RTU 閥室。江都 - 如東線是西氣東輸管道工程建設重要的管線，地理位置關鍵，分輸任務艱巨，負責江蘇中部地區及長三角地區的能源供給，年設計輸量135 億方。1. 1 站場間網絡架構在江都 -如東線，站場SCADA 系統和閥室RTU 系統均連接至 SIXNET 交換機，各站場、RTU 閥室之間的 SIXNET 交換機互相級聯，實現站場與站場，站場與 RTU 閥室之間的通訊。( 圖 1)RTU 閥室同時將數據傳遞至上游站場和下游站場，再由通過站內網絡發送至站場 HMI 和北京調控中心 HMI。圖1 站場間網絡架構示意圖1. 2 站場內網絡架構站場 SCADA 系統的核心網絡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。一旦思科交換機運行不穩定，會導致站場內所有設備出現通訊中斷或閃斷。思科路由器作為站場網絡的網關，連接北京調控中心與站場 SCADA 系統，負責站場與北京調控中心) 的數據轉發[1]，若路由器運行不平穩，會導致站場與北京調控中心出現通訊中斷。
2 江都 - 如東線網絡架構的優化網絡風暴產生的原因
網卡或網絡設備故障，網絡環路誘發，網絡病毒和惡意軟件的攻擊等。從江都 -如東線歷次網絡故障來看，由網卡或網絡設備故障引起的網絡風暴幾乎占故障總數的全部，這類網絡風暴很難從源頭上根除，但是可以通過優化網絡架構，以縮小影響范圍，降低對系統的危害。
2. 1 站場間網絡架構的優化網絡架構優化前，江都 - 如東線的所有站場與 RTU 閥室同在一個廣播域中，當網絡風暴出現時，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 閥室同時出現網絡故障。為了減小網絡風暴的危害范圍，對站場重新劃分 VLAN，對站與站之間進行網絡隔離。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，站場之間的數據鏈路層通訊被隔斷，各站場處于不同的廣播域中，若出現網絡風暴，站場間不會相互影響，縮小了網絡風暴的危害范圍，提升了網絡通訊質量。
2. 2 站場內 SCADA 系統的優化
2. 2. 1 環網的處理江都 -如東線站場 ESD 系統與兩個思科交換機之間存在物理上的網絡環路，雖然環路可以增強網絡的冗余性能，但也可能引起網絡風暴或加重網絡風暴的危害。優化前，思科交換機上已經啟動了生成樹協議，阻塞了交換機的級聯接口( 圖2) 。雖然環網已經被阻斷，卻引發了另外一個后果，即 ESD 系統承擔了在兩交換機之間轉發數據包的職能。當網絡風暴出現時，ESD 系統不得不同時處理大量的廣播包，當數據包的數量超過 ESD 系統的處理能力時，ESD 系統會報錯并且停止運行。
為了在阻斷環網的同時減輕 ESD 系統的負荷，對環網進行處理。在思科交換機上，手動將交換機級聯接口的開銷設為環網路徑的最小開銷，生成樹圖2 優化前環網架構協議根據算法阻斷開銷更高的路徑，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 優化后環網架構之間路徑( 圖 3) 。通過以上方法，使思科交換機能夠通過級聯路徑直接進行通訊，不必通過 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 -如東線思科路由器上配置了 EIGRP 和 OSPF 兩種動態路由協議，兩種協議均會周期性的向站內局域網廣播路由器更新。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任何路由器能夠接收。為提升網絡質量，將思科路由器連接站內的接口設置為被動接口，即不主動廣播路由更新[5]。通過以上方法，減少了站內局域網的多余廣播，提升了網絡質量。2. 2. 3 接口風暴控制為降低網絡風暴的危害，對思科交換機、SIXNET 交換機之間的級聯接口進行風暴控制，對廣播包進行過濾，限制這些接口轉發過多的廣播包。長時間對站場正常運行時的網絡數據包收發情況進行監測，發現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。根據測試數據對思科交換機進行配置，將思科交換機級聯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 SIXNET 交換機級聯接口的廣播流量限制設為接口帶寬的0.05%。
當接口的廣播超過限制值時，多余的廣播包會被丟棄。通過以上設置，對網絡風暴產生的海量廣播包進行了有效的控制。2. 2. 4 ESD 系統參數的優化ESD 系統作為站場的安全儀表系統，當站場工藝處于危險狀態時，自動將工藝停止并置于安全狀態。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送來的數據，當站場發生網絡風暴時，轉發而來的過多廣播包加重了 ESD 系統的負荷，導致 ESD 系統不能在規定時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。網絡風暴引起的 ESD 系統停運，極大影響了站場的安全性。為降低系統停運的可能性，對系統參數進行優化。根據模擬測試情況，對參數進行優化 。
3 結束語
對江都 -如東線的網絡架構優化后，進行了為期1 年的試運行，期間江都 -如東線站場 SCADA 系統局域網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，正常運行時站場的數據包由原有的 70 packet/s 降為不到 10 packet/s。試運行結果顯示: 網絡架構的優化達到既定目標，網絡通訊的質量、可靠性和安全性得到了極大的提高。
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