Мережі безшовного резервування на основі протоколів PRP і HSR

Існують завдання, в яких не прийнятна навіть найменша затримка передачі даних. Для таких ситуацій використовують «безшовне резервування», описане в стандарті IEC 62439-3, маючи на увазі нульовий час відновлення мережі в разі відмови обладнання або розриву лінії зв'язку, протоколи - PRP (Parallel Redundancy Protocol) і HSR (High-availability Seamless Redundancy)  

Новини >> Публікації >> 02.03.2016

Відмовостійкість мережі Ethernet на сьогоднішній день є нормою і популярність протоколу MRP, а також похідних від нього - прямий тому доказ. Ці протоколи забезпечують відновлення мережі за певний час, що залежить від розміру мережі, кількості вузлів, топології і реалізації протоколу тим чи іншим виробником.

Однак існують завдання, в яких навіть найменша затримка через перерви в передачі даних не прийнятна. Для таких ситуацій використовують «безшовне резервування» описане в стандарті IEC 62439-3, що припускає нульовий час відновлення мережі в разі відмови обладнання або розриву лінії зв'язку.

Нульовий час відновлення мережі забезпечують два протоколи - PRP (Parallel Redundancy Protocol) і HSR (High-availability Seamless Redundancy).

Протокол PRP передбачає передачу пакетів за двома паралельними, незалежними мережами з будь-якою внутрішньою топологією. Ці мережі можуть бути, наприклад, MRP кільцями, RSTP мережею або не мати взагалі ніякої надлишковості.

PRP реалізується тільки на кінцевих пристроях, в той час як комутатори в мережах, які використані для передачі даних, можуть взагалі нічого не знати про PRP. Кінцевий пристрій з підтримкою протоколу PRP називають DAN P (Double Attached Node PRP), і передбачається, що воно має з'єднання з кожної з двох незалежних мереж. Стандартний пристрій з одним мережевим інтерфейсом називають SAN (Single Attached Node) і воно підключено тільки до однієї з двох мереж. Звичайно, в цьому випадку, такий пристрій не матиме резервного шляху, доступного йому в разі виходу основного шляху з ладу. Альтернативним способом підключення SAN пристрою буде підключення його через блок резервування RedBox (Redundancy Box), в якості якого може виступати, наприклад, комутатор Hirschmann RSP35. Такий комутатор може під'єднати до дев'яти SAN пристроїв одночасно до двох мереж. Або, якщо планується використовувати SAN пристрої підключені до RedBox через вже наявний комутатор, то в якості RedBox-а можна використовувати компактний комутатор Hirschmann RED25 який має два вільних порти для підключення зовнішніх пристроїв. Самі ж SAN-ам не потрібно нічого знати про PRP - вони можуть бути самими звичайними пристроями зі стандартним мережевим інтерфейсом.

Алгоритм передачі даних за допомогою протоколу PRP наступний - пристрій DAN P або RedBox генерує пакет даних, який дублюється і відправляється одночасно в обидві мережі, до яких підключено пристрій. Проходячи через паралельні мережі, відправлені пакети зазнають різних затримок і до одержувача прийдуть з деякою різницею в часі. Пристрій з PRP, що є адресатом даної передачі, отримує і обробляє пакет даних першим. Пакет, що прийшов другим, читається, реєструється як отриманий, але не обробляється. Реєстрація обох пакетів необхідна для того, що б виявити можливий розрив в мережі (так як в цьому випадку дійде лише один пакет).

Як вже було зазначено вище, в разі справності обох мереж, пристрій-адресат отримує кожен пакет двічі. Дублікати розпізнаються за допомогою трейлерів контролю надмірності - RCT (Redundancy Control Trailers), які PRP-сумісні пристрої або RedBox додають до кожного відправленого пакету. Як додаток до мережевих ідентифікаторів (LAN A або LAN B) та даних користувача, які містяться в пакетах, приєднується 32-бітове поле ідентифікації. Це поле містить порядковий номер, який збільшується для кожного пакета надісланого пристроєм.

RedBox або DAN P таким чином можуть розпізнати дублікат і в разі необхідності відмовитися від нього, на підставі чітко ідентифікованих ознак, що містяться в кожному пакеті (адреса джерела, фізичний MAC-адресу і порядковий номер). Оскільки RCT вставляється в кінець пакету, тоді весь трафік може бути прочитаний SAN-ами які не підключені через RedBox. Для цих пристроїв RCT, доданий в кінець пакету, буде нічого не значущою приставкою. Це означає, що SAN, який підключений до PRP мережі безпосередньо, тобто без RedBox, має можливість спілкуватися з усіма DAN P і SAN пристроями в тій же мережі (А або В), однак не має можливості зв'язатися з пристроями в іншій мережі.

Технологія передачі даних за допомогою протоколу PRP дуже надійна і може бути використана на найкритичніших об'єктах, однак її недоліком є ​​обов'язкова наявність розгалуженої мережевої інфраструктури на об'єкті.

У разі якщо необхідно побудувати мережу з нульовим часом відновлення при наявності тільки однієї локальної мережі, то тут на допомогу прийде протокол HSR. На відміну від протоколу PRP, що працює в мережі будь-якої топології, HSR може функціонувати тільки в кільці, яке складається з HSR-сумісних пристроїв. Такі пристрої, що мають по два мережевих інтерфейсу, називають DAN H (Double Attached Node HSR).

Пристрої DAN H і RedBox-и, в ролі яких можуть виступати комутатори Hirschmann серій RED і RSP, з'єднуються один з одним ланцюжком об'єднаної в кільце.

В отриманому кільці, пристрій відправник, в момент відправки дублює відправлені пакети даних і шле його одночасно в обидва боки кільця. Одержувач читає і обробляє перший з отриманих пакетів, а другий видаляється відразу по отриманню, без перегляду його вмісту, але з реєстрацією отримання. Необхідність в перегляді вмісту другого пакету зайва у зв'язку з тим, що RCT додається до пакету відправником і містить в собі порядковий номер пакета, знаходиться не в кінці передачі, а на початку, у вигляді заголовка. Це дозволяє всім пристроям в мережі розпізнати дублікат миттєво без перегляду всього пакета. Однак це ж не дозволяє використовувати в мережі звичайні DAN НЕ HSR пристрої, підключені безпосередньо, так як вони не зможуть коректно прочитати заголовок HSR пакета.

Звичайні SAN пристрої так само не можуть бути безпосередніми учасниками даної мережі, так як мають всього один мережевий інтерфейс і не зможуть замкнути кільце. Як наслідок такі пристрої можуть бути підключені до HSR мережі за допомогою RedBox.
Важливою, але маловідомої особливістю протоколу HSR є те, що даний протокол функціонує тільки в мережах Ethernet 10/100. Якщо є необхідність в нульовому часу відновлення при використанні гігабітних мереж, то необхідно задіяти протокол PRP.

Таким чином, на сьогоднішній день є два протоколи, які забезпечують гарантовану, безперервну передачу даних, що критично важливо для такої галузі як енергетика або для управління важливими технологічними процесами. Так само треба відзначити, що комутатори Hirschmann мають сертифікацію згідно IEC / MЕK 61850, що дозволяє використовувати їх на електричних підстанціях в системах релейного захисту та в інших додатках, де можлива наявність сильних електромагнітних завад.