IEC 62439-3 PRP/ HSR Новая концепция параллельного и кольцевого резервирования

2014-09-15

PRP – параллельное резервирование

Несмотря на быстроту работы MRP и его универсальность для широкого круга задач, существуют приложения, где недопустимо даже минимальное время восстановления сети. Для таких приложений необходим совершенно новый подход к вопросу высокой доступности сети. В основе этого подхода – существование минимум двух одновременно активных соединений между двумя узлами сети таким образом, что отправитель информации посылает кадры данных синхронно по двум Ethernet- каналам. Получатель же с помощью протокола резервирования принимает первый кадр данных и отклоняет второй. Если второй кадр данных не получен, адресат делает вывод об обрыве связи в соответствующем канале.

Данный механизм резервирования реализован в протоколе PRP (Parallel Redundancy Protocol), описанном в стандарте IEC 62439-3. PRP использует две параллельных сети передачи данных с произвольной топологией, не ограниченной ни кольцами, ни другими структурами. Более того, в двух параллельных сетях может не быть резервирования вовсе, а могут применяться протоколы MRP и RSTP. Таким образом, принципиальное преимущество PRP состоит в его «бесшовном» резервировании с отсутствием даже малого времени переключения с основного на резервный канал связи. Высокий уровень доступности сети с параллельным резервированием соблюдается при условии, что обе подсети, объединённые PRP, не могут отказать одновременно.

Протокол PRP реализуется на конечных устройствах (рис. 1). Коммутаторы сети работают независимо от данного протокола и, соответственно, не должны обладать никакой специальной аппаратной или программной поддержкой. Конечные устройства с поддержкой PRP (DANP – Double Attached Node for PRP) имеют два сетевых интерфейса и подключаются к двум независимым сетям. При этом сети могут иметь различную топологию, среду и скорость передачи. К сети могут подключаться и обычные конечные устройства с одним сетевым интерфейсом (SAN – Single Attached Node). Также могут использоваться конечные устройства типа DANP в роли прокси-серверов (так называемые RedBox – сокращение от Redun- dancy Box), к которым подключены несколько SAN-устройств. От SAN- устройства не требуется никакой специальной поддержки PRP. Эту возможность удобно применять на практике, пользуясь тем, что в сетях с высокой доступностью наличие параллельного резервирования критично не для всех устройств, поэтому конечные устройства по степени важности можно разделить на типы DANP и SAN и соединить, используя дублированный или единственный канал связи соответственно. Конечные устройства с возможностью параллельного резервирования типа DANP должны контролировать дублированные кадры Ethernet. Получив данные для передачи в сеть, устройство, реализующее протокол PRP, посылает их по двум сетевым интерфейсам одновременно. Таким образом, два кадра Ethernet отправляются по независимым сетям к одному получателю и, учитывая разную топологию и пропускную способность обеих сетей, доходят до адресата с разной задержкой. Первый пришедший получателю кадр принимается и передаётся на верхний уровень, второй – удаляется. В итоге сетевое приложение, использующее полученные данные, не «ощущает» разницы между резервированным с PRP и обычным Ethernet-интерфейсом.

Идентификация дублирующих кадров осуществляется по специальному контрольному маркеру – RCT (Redundancy Control Trailer), помещённому в Ethernet-кадр PRP-устройством (рис. 1). В дополнение к идентификатору подсети и пользовательским данным в кадр помещается 32-битовое поле, включающее номер последовательности PRP. По этому номеру конечное устройство идентифицирует кадр и либо передаёт его на верхний уровень, либо удаляет. RCT-маркер находится в конце блока данных, поэтому такой формат Ethernet- данных считывается как DANP, так и SAN-устройствами. Это свойство позволяет сетевым устройствам обмениваться информацией в отсутствие резервирования.

В целом протокол PRP позволяет создать сеть с высокой степенью доступности, произвольной топологией, но требует значительно больших затрат на оборудование, инфраструктуру и сетевые компоненты.

hdr_1

Рис. 1. Ethernet-кадр c протоколом PRP

HSR – Бесшовное резервирование

Протокол HSR (High-availability Seamless Redundancy) – дальнейшее развитие идеи параллельного резервирования. Однако, если в случае с PRP речь шла о резервировании сети, то HSR – это протокол резервирования соединений. HSR, как и PRP, описан в стандарте IEC 62439-3. Но в отличие от PRP протокол HSR разработан для кольцевой топологии сети. Как и PRP, он использует два сетевых порта у конечного устройства для подключения к сети, но цепочкой, замкнутой в кольцо.

hdr_2

Рис. 2. Ethernet-кадр c протоколом HSR

Формат кадра данных у протокола HSR аналогичен PRP (рис. 2). Идентификатор HSR похож на поле RCT: включает размер пользовательских данных, тип порта отправителя (1-й или 2-й порт) и номер последовательности. Однако, если идентификатор протокола PRP идёт внутри стандартного Ethernet-кадра, то в случае с HSR идентификатор протокола идёт в начале. Поэтому HSR-устройства распознают данные на лету и быстрее их обрабатывают, передавая с первого на второй интерфейс по цепочке. При этом каждое конечное устройство пропускает через себя все кадры данных, читает заголовки и отбирает себе кадры со своим адресом получателя, а также широковещательные сообщения. Для предотвращения циркуляции по кругу широковещательных сообщений устройство-отправитель удаляет сообщения, прошедшие полный круг по сети (рис. 3).

hdr_3

Рис. 3. Схема резервированной сети с протоколом HSR

В отличие от сети с параллельным резервированием, в HSR-кольцо нельзя включить стандартное устройство с одним сетевым интерфейсом – кольцо не будет замкнуто и формат данных с HSR-заголовком не будет распознан. Анализ кадра данных на втором уровне OSI с идентификатором PRP (он находится в поле дополнительной информации) возможен и обычным устройством – оно попросту пропустит поле с RCT. Формат данных с HSR-заголовком получается нестандартный, и конечное устройство без поддержки HSR-протокола его не распознает. Тем не менее, в этом случае можно использовать посредника RedBox, который включается в HSR-кольцо и имеет дополнительные подключения к конечным устройствам вне кольца.

Как мы выяснили, стандартные устройства «не понимают» HSR-данные, однако сами HSR-устройства «понимают» стандартный формат данных. Это необходимо для конфигурирования и диагностики узлов кольца. При этом стандартные кадры данных не проходят по кругу, как HSR-данные, а пересылаются напрямую между станцией управления и устройством. HSR-кольцо начинает работу в штатном режиме только после отключения станции управления и замыкания цепи.

HSR-кольца можно соединять между собой двумя 4-портовыми устройствами, называемыми QuadBox. Устройства дублируют друг друга, поэтому общая сеть также остаётся резервированной (рис. 4).



hdr_4

Рис. 4. Схема дублированного соединения HSR-колец

Что касается времени восстановления, то тут HSR-протокол ведёт себя аналогично PRP: кадры данных одновременно рассылаются по двум портам в обоих направлениях по кольцу, в случае сбоя одна из очередей данных достигнет получателя. Такой подход гарантирует резервирование с нулевым временем восстановления, и в то же время не требует дополнительной сетевой структуры.

Из недостатков HSR можно отметить ограниченную гибкость (только кольцевая топология), двукратный объём трафика, передаваемого по сети с дублированием кадров данных, сложность реализации (специальный FPGA-чип в каждом устройстве, синхронизация по протоколу IEEE 1588).

Демонстрация работы протокола HSR от Kyland

На выставке DistribuTECH  India, проходившей с 5 по 7 мая в Нью-Дели, cпециалистами компании Kyland была продемонстрирована работа протокола сетевого резервирования HSR.

В демо-стойке в HSR-кольцо были собраны 3 промышленных Ethernet-коммутатора SICOM3028GPT с модулем SM6.6-HSR/PRP, в качестве генератора трафика использовалась установка Spirent Smartbits, каждый из интерфейсов которой был подключен к соответствующему коммутатору.

Заключение

На практике не существует ни идеальной сетевой топологии, ни идеального протокола резервирования, удовлетворяющего всем требованиям промышленных сетей. Правильный выбор топологии сети и протокола резервирования зависит от многих факторов, таких как физические требования к расположению сетевых компонентов.

В качестве резюме табл. 1 отражает основные свойства протоколов резервирования, описанных в данной статье.

Протокол Топология сети Количество устройств Максимальное время восстановления сети Типовое время восстановления сети
RSTP
(IEEE 802.1D-2004)
Кольцо 40 Около 2 с при сбое в двух и более мостах 100…200 мс для кольца из 40 узлов
RSTP
(IEEE 802.1D-2004)
Любая Любое Более 2 с при сбое в двух и более мостах Можно определить применительно к конкретной сети с простой топологией
MRP
(IEC 62439-2)
Кольцо 50 500/200/30/10 мс (в зависимости от настроек) 200/60/15/<10 мс (в зависимости от настроек)
PRP
(IEC 62439-3)
Любая сдвоенная Любое 0 мс 0 мс
HSR
(IEC 62439-3)
Кольца 512 0 мс 0 мс

Протокол HSR является новым (стандарт IEC 62439-3 принят в феврале 2010 года) и перспективным. Среди основных сфер его применения следует отметить АСУ в энергетике. Он даже будет включён во вторую версию стандарта для электрических подстанций IEC 61850. Протокол HSR будет обеспечивать функционирование сети Ethernet в реальном времени вместе с протоколом синхронизации часов IEEE 1588.

Для повышения надёжности и гибкости сети протоколы резервирования можно комбинировать между собой. Например, на рис. 6 показан пример сети со смешанной топологией, с применением параллельного и кольцевого резервирования. Можно сделать прогноз, что в будущем протоколы PRP и HSR (их последующие итерации) вытеснят существующие протоколы кольцевого и параллельного резервирования.

Внедрением протоколов PRP и HSR в реальные решения занимаются ведущие мировые разработчики сетевого оборудования, такие как Siemens, Hirschmann (Belden), KYLAND, MOXA. Также над идеями параллельного резервирования работают компании CISCO, RuggedCom. Первые микросхемы FPGA производства компаний Altera и Xilinx с реализацией этих протоколов существуют с середины 2010 года. Механизмы протоколов HSR и PRP были успешно протестированы с эмуляцией на программном уровне. О функционировании в реальном времени с программной реализацией, конечно, речи не идёт, зато можно положительно оценить их работоспособность в больших сетях, взаимодействие с другими протоколами резервирования второго уровня OSI, GOOSE-сообщениями протокола IEC/ МЭК 61850.

На данном этапе развития промышленного сетевого оборудования одним из самых «продвинутых» коммутаторов второго и третьего уровней OSI является KYLAND серия SICOMGPT Коммутаторы данной серии отвечают самым жёстким промышленным требованиям: функционирование в реальном времени (протокол IEEE 1588v2), поддержка технологий резервирования RSTP, MRP, LACP, а также наиболее быстрого варианта кольцевого резервирования – DT-Ring, DT-Ring+, DRP с дублированным соединением колец. Кроме того, устройства соответствует стандарту МЭК 61850-3, может функционировать в широком температурном диапазоне –40…+85°C и в условиях сильных электромагнитных помех. Устройства SICOMGPT являются, новой перспективной серией промышленных коммутаторов и призваны стать базой для интеграции протоколов резервирования  PRP и HSR.  

Поддержка