Сети бесшовного резервирования на основе протоколов PRP и HSR

Существуют задачи, в которых  не приемлема даже малейшая задержка передачи данных. Для таких ситуаций используют «бесшовное резервирование», описанное в стандарте IEC 62439-3, подразумевающее нулевое время восстановления сети в случае отказа оборудования или разрыва линии связи, протоколы – PRP (Parallel Redundancy Protocol) и HSR (High-availability Seamless Redundancy)

Пресс-центр >> Публикации >> 23.05.2016

Отказоустойчивость сети Ethernet на сегодняшний день является нормой и популярность протокола MRP, а так же производных от него – прямое тому доказательство. Эти протоколы обеспечивают восстановление сети за определенное время, которое зависит от размера сети, количества узлов, топологии и реализации протокола тем или иным производителем.
Однако существуют задачи, в которых даже малейшая задержка из-за прерывания передачи данных не приемлема. Для таких ситуаций используют «бесшовное резервирование» описанное в стандарте IEC 62439-3, подразумевающее нулевое время восстановления сети в случае отказа оборудования или разрыва линии связи.
Нулевое время восстановления сети обеспечивают два протокола – PRP (Parallel Redundancy Protocol) и HSR (High-availability Seamless Redundancy).
Протокол PRP подразумевает передачу пакетов по двум параллельным, независимым сетям с любой внутренней топологией. Эти сети могут быть, например, MRP кольцами, RSTP сетью либо не иметь вообще никакой избыточности.
PRP реализуется только на конечных устройствах, в то время как коммутаторы в сетях, которые использованы для передачи данных, могут вообще ничего не знать о PRP. Конечное устройство с поддержкой протокола PRP называют DAN P (Double Attached Node PRP), и предполагается, что оно имеет соединение с каждой из двух независимых сетей. Стандартное устройство с одним сетевым интерфейсом называют SAN (Single Attached Node) и оно подключено только к одной из двух сетей. Естественно, в этом случае, такое устройство не будет иметь резервного пути, доступного ему в случае выхода основного пути из строя. Альтернативным способом подключения SAN устройства будет подключение его через блок резервирования RedBox (Redundancy Box), в качестве которого может выступать, например, коммутатор Hirschmann RSP35. Такой коммутатор может подсоединить до девяти SAN устройств одновременно к двум сетям. Либо, если планируется использовать SAN устройства подключённые к RedBox через уже имеющийся коммутатор, то в качестве RedBox-а можно использовать компактный коммутатор Hirschmann RED25 который имеет два свободных порта для подключения внешних устройств. Сами же SAN-ам не нужно ничего знать о PRP – они могут быть самыми обычными устройствами со стандартным сетевым интерфейсом.

Алгоритм передачи данных с помощью протокола PRP

Алгоритм передачи данных с помощью протокола PRP следующий – устройство DAN P или RedBox генерирует пакет данных, который дублируется и отправляется одновременно в обе сети, к которым подключено устройство. Проходя через параллельные сети, отправленные пакеты будут подвергаться различным задержкам и к получателю придут с некоторой разницей во времени. Устройство с PRP, являющееся адресатом данной передачи, получает и обрабатывает пакет данных пришедший первым. Пакет, пришедший вторым, читается, регистрируется как полученный, но не обрабатывается. Регистрация обоих пакетов необходима для того, что бы обнаружить возможный разрыв в сети (так как в этом случае дойдёт лишь один пакет).
Как уже было сказано выше, в случае исправности обоих сетей, устройство-адресат получает каждый пакет дважды. Дубликаты распознаются с помощью трейлеров контроля избыточности – RCT (Redundancy Control Trailers), которые PRP-совместимые устройства или RedBox добавляют к каждому отправленному пакету. В дополнение к сетевым идентификаторам (LAN A или LAN B) и пользовательским данным, содержащимся в передающемся пакете, добавляется 32-битное поле идентификации, содержащее порядковый номер, который увеличивается для каждого пакета переданного устройством. RedBox или DAN P таким образом могут распознать дубликат и в случае необходимости отказаться от него, на основании чётко идентифицируемых признаков, содержащихся в каждом пакете (адрес источника, физический MAC-адрес и порядковый номер). Так как RCT вставляется в конец пакета, то весь трафик может быть прочитан SAN-ами которые не подключены через RedBox. Для этих устройств RCT, добавленный в конец пакета, будет являться ничего не значащей приставкой. Это означает, что SAN, который подключен к PRP сети напрямую, то есть без RedBox, имеет возможность общаться со всеми DAN P и SAN устройствами в той же сети (А или В), однако не имеет возможности связаться с устройствами в другой сети.
Технология передачи данных с помощью протокола PRP очень надёжна и может быть использована на самых критичных объектах, однако её недостатком является обязательное наличие разветвлённой сетевой инфраструктуры на объекте.

В случае если необходимо построить сеть с нулевым временем восстановления при наличии только одной локальной сети, то здесь на помощь придёт протокол HSR. В отличие от протокола PRP, работающего в сети любой топологии, HSR может функционировать только в кольце, которое состоит из HSR-совместимых устройств. Такие устройства, имеющие по два сетевых интерфейса, называют DAN H (Double Attached Node HSR).

В случае если необходимо построить сеть с нулевым временем восстановления при наличии только одной локальной сети, то здесь на помощь придёт протокол HSR.

Устройства DAN H и RedBox-ы, в роли которых могут выступать коммутаторы Hirschmann серий RED и RSP, соединяются друг с другом цепочкой объединённой в кольцо.
В получившемся кольце, устройство отправитель, в момент отправки дублирует отправляемый пакет данных и шлёт его одновременно в обе стороны кольца. Получатель читает и обрабатывает первый из полученных пакетов, а второй удаляется сразу по получению, без прочтения его содержимого, но с регистрацией получения. Необходимость в чтении содержимого второго пакета отпадает в связи с тем, что RCT добавляемый к пакету отправителем и содержащий в себе порядковый номер пакета, находится не в конце передачи, а в начале, в виде заголовка. Это позволяет всем устройствам в сети распознать дубликат мгновенно без прочтения всего пакета. Однако это же не позволяет использовать в сети обычные DAN не HSR устройства, подключённые напрямую, так как они не смогут корректно прочесть заголовок HSR пакета. Обычные SAN устройства так же не могут быть непосредственными участниками данной сети, так как имеют всего один сетевой интерфейс и не смогут замкнуть кольцо. Как следствие такие устройства могут быть подключены к HSR сети посредством RedBox.
Важной, но малоизвестной особенностью протокола HSR является то, что данный протокол функционирует только в сетях Ethernet 10/100. Если есть необходимость в нулевом времени восстановления при использовании гигабитных сетей, то необходимо задействовать протокол PRP.
Таким образом, на сегодняшний день имеется два протокола обеспечивающие гарантированную, беспрерывную передачу данных, что критически важно для таких отраслей как энергетика или управления важными технологическими процессами. Так же надо отметить, что коммутаторы Hirschmann имеют сертификацию согласно IEC/MЭK 61850, что позволяет использовать их на электрических подстанциях в системах релейной защиты и в других приложениях, где возможно наличие сильных электромагнитных помех.