IEC 62439-6 (2010) Протокол распределенного резервирования сети (DRP)

05 декабря 2022

Протокол распределенного резервирования DRP

Компания Kyland принимала участие в разработке протокола распределенного резервирования (DRP) для использования в сетях с кольцевой топологией. Этот протокол предотвращает возникновение широковещательных штормов в кольцевых сетях. Когда канал или узел неисправен, связь в режиме реального времени переключается на резервный канал, чтобы обеспечить непрерывную передачу данных. Согласно стандарту IEC 62439-6 DRP использует механизм выбора мастера без назначенного фиксированного мастера.

 

Возможности DRP:

Время восстановления не зависит от размера сети

DRP обеспечивает независимое от размера сети время восстановления за счет оптимизации механизма пересылки пакетов обнаружения кольца. DRP позволяет сетям восстанавливаться в течение 20 мс, благодаря введению прерывания отчетов в реальном времени, что повышает надежность передачи данных в реальном времени. Эта функция позволяет коммутаторам обеспечивать более высокую надежность применения в энергетике, железнодорожном транспорте и многих других отраслях, требующих управления в режиме реального времени.

 

Разнообразные функции обнаружения обрыва соединения

Для повышения стабильности сети DRP предоставляет разнообразные функции обнаружения каналов для типичных сетевых сбоев, включая быстрое обнаружение разъединения, обнаружение однонаправленных каналов оптоволокна, проверку качества каналов и проверку работоспособности оборудования, обеспечивая правильную передачу данных.

 

Применимо к различным сетевым топологиям

Помимо быстрого восстановления для простых кольцевых сетей, DRP также поддерживает сложные кольцевые топологии, такие как пересекающиеся кольца и соприкасающиеся кольца. Кроме того, DRP поддерживает работу на основе VLAN, что подходит для различных сетевых применений и обеспечения гибкости сети.

 

Мощные функции диагностики и обслуживания

DRP предоставляет мощные механизмы запросов о состоянии сети и аварийной сигнализации для диагностики сети и технического обслуживания, а также механизм предотвращения непреднамеренного срабатывания и неправильной настройки, которые могут привести к широковещательным штормам в кольцевых сетях.

 

Режимы работы DRP

Как и DT-Ring, протокол DRP имеет два режима работы: на основе портов и на основе VLAN.

В режиме портов перенаправление или блокировка пакетов происходит на основе определенных портов.

В режиме VLAN перенаправление или блокировка пакетов происходит на основе VLAN. Если порт находится в состоянии блокировки, блокируются только пакеты указанной VLAN. Таким образом, можно использовать несколько VLAN, настроенных на порты соприкасающегося кольца. Порт может принадлежать разным кольцам DRP в зависимости от конфигурации VLAN.

 

Статусы портов DRP

Пересылка: Если порт находится в состоянии пересылки, он может получать и пересылать пакеты данных.

Блокировка: Если порт находится в состоянии блокировки, он может получать и пересылать пакеты DRP, но не другие пакеты данных.

Первичный (Primary) порт: указывает кольцевой порт (в корневом каталоге), чей статус настроен пользователем как принудительная пересылка, когда кольцо будет замкнуто.

 

Роли DRP

DRP определяет роли коммутаторов, пересылая пакеты Announce, предотвращая образование петель кольцами резервирования.

 

INIT: указывает устройство, на котором включен DRP, а два кольцевых порта находятся в режиме Link down.

Root: указывает устройство, на котором включен DRP и по крайней мере один кольцевой порт находится в режиме Link up. Коммутатор на роль Root выбирается в соответствии с векторами пакетов Announce. Это может меняться вместе с топологией сети. Root периодически отправляет свои собственные пакеты Announce другим устройствам. Статусы кольцевых портов: один кольцевой порт находится в режиме пересылки, а другой находится в режиме блокировки. При получении пакета Announce от другого устройства, Root сравнивает вектор пакета с вектором своего собственного пакета Announce. Если вектор полученного пакета больше, то Root меняет свою роль на Normal или B-Root по статусу Link и CRC деградации портов.

B-Root: указывает устройство, на котором включен DRP, отвечающее хотя бы одному из следующих условий: один кольцевой порт находится в режиме Link up, а другой в режиме Link down, CRC деградации, приоритет не ниже 200. B-Root сравнивает и пересылает пакеты Announce. Если вектор полученного пакета Announce меньше вектора его собственного пакета Announce, то B-Root меняет свою роль на Root; в противном случае он пересылает полученный пакет и не изменяет свою роль. Статусы портов кольца: Один порт кольца находится в режиме пересылки.

Normal: указывает устройство, на котором включен DRP, и оба кольцевых порта находятся в режиме Link up без CRC деградации, а приоритет выше 200. Normal только пересылает Announce пакеты, но не проверяет содержимое пакетов. Статусы кольцевых портов: Оба кольцевых порта находятся в режиме пересылки.

 

Реализация режима DRP на основе портов

  1. При запуске все коммутаторы находятся в состоянии INIT. Когда состояние одного порта меняется на Link up, коммутатор становится корневым (Root) и отправляет пакеты Announce другим коммутаторам в кольце для выбора.
  2. Коммутатор с наибольшим вектором пакета Announce выбирается как Root. Кольцевой порт, который подключается первым к Root, находится в состоянии пересылки, а другой кольцевой порт находится в состоянии блокировки. Среди других коммутаторов в кольце коммутатор с одним кольцевым портом в состоянии Link down или CRC деградации является B-Root. Коммутатор с обоими кольцевыми портами в состоянии Link up и без CRC деградации является Normal.

Процедура устранения неисправности показана на следующем рисунке:

 

 

  1. В исходной топологии A это Root; порт 1 находится в состоянии пересылки, а порт 2 в состоянии блокировки. B, C и D являются Normal, и их кольцевые порты находятся в состоянии пересылки.
  2. Когда соединение CD обрывается, DRP изменяет статусы портов 6 и 7 на блокировку. В результате C и D становятся Root. Поскольку A, C и D на данный момент являются Root, все они отправляют пакеты Announce. Векторы C и D больше, чем векторы A, потому что порт 7 и порт 6 находится в состоянии Link down. В этом случае, если вектор D больше, чем вектор C, то D является избранным как Root, а C становится B-Root. При получении пакета Announce от D, A обнаруживает, что вектор D больше, чем его собственный вектор, и оба его кольцевых порта находятся в состоянии Link up. Таким образом, A становится Normal и изменяет статус порта 2 на пересылку.
  3. Когда соединение CD восстанавливается, D все еще является Root, потому что его вектор больше, чем вектор C.
  • Если на D не настроен PRIMARY порт, то порт 7 все еще находится в состоянии блокировки, а порт 8 в состоянии пересылки.
  • Если порт 7 на D настроен как PRIMARY порт, то порт 7 переходит в состояние пересылки, а порт 8 находится в состоянии блокировки.

DRP изменяет состояние порта 6 на пересылку. В результате C становится Normal. Поэтому, роли коммутаторов не меняются при восстановлении канала между С и D.

В кольцевой сети DRP роли коммутаторов меняются при обрыве канала, но не меняются, когда канал восстанавливается. Этот механизм повышает безопасность сети и надежность передачи данных.

 

Реализация режима DRP на основе VLAN

Кольцо на основе DRP-VLAN позволяет пересылать пакеты из разных VLAN по разным маршрутам. Каждый маршрут пересылки для VLAN образует DRP-VLAN-Based. Другое кольцо на основе DRP-VLAN может иметь разные Root. На следующем рисунке, показано как настроены два кольца DRP-VLAN-Based. 

 

Кольцевые маршруты DRP-VLAN10/20-Based: AB-BC-CD-DE-EA. Кольцевые маршруты DRP-VLAN30-Based: FB-BC-CD-DE-EF.

Два кольца являются соприкасающимися на соединениях BC, CD и DE. Коммутатор C и коммутатор D имеют одинаковые порты в двух кольцах, но используют разные логические каналы соединения на основе VLAN.

 

Резервирование колец DRP

DRP также может обеспечивать резервирование двух колец DRP, предотвращая образование петель и обеспечивая нормальную связь между кольцами.

Резервный порт: указывает порт связи между кольцами DRP. Можно настроить несколько резервных портов, но они должны находиться в одном кольце. Первый резервный порт — это главный резервный порт, который находится в состоянии пересылки. Все остальные резервные порты являются подчиненными. Они находятся в состоянии блокировки.

Как показано на рисунке, на каждом коммутаторе можно настроить один резервный порт. Резервный порт Master находится в состоянии пересылки, а другие резервные порты находятся в состоянии блокировки. Если резервный порт Master или подключенный к нему канал неисправен, то для пересылки данных будет выбран резервный порт Slave.

 

 

Dual Homing Protocol (DHP)

Протокол, Dual Homing Protocol (DHP), отлично подходит для масштабирования сети и подключения дополнительных сегментов. Он может рассматриваться как аналог технологий множественного кольцевого резервирования, предлагаемых другими производителями, например, дополнительных колец Sub-ring от Hirschmann, или технологии Turbo-Chain от Moxa. Реализация DHP основана на протоколе DRP. Механизм выбора и назначения ролей для узлов сети в DHP такой же, как и в DRP. А обеспечение резервирования канала DHP достигается посредством конфигурации узлов по типу Home-node, Normal-node и Home-port.

Как показано на рисунке, коммутаторы A, B, C и D подключены к кольцу. Протокол DHP выполняет следующие функции, если он включен на коммутаторах A, B, C и D:

  • A, B, C и D могут взаимодействовать друг с другом, не влияя на правильную работу устройства в кольце.
  • Если связь между A и B неисправна, A все еще может связываться с B, C и D посредством Устройства 1 и Устройства 2.

 

Реализация DHP основана на протоколе DRP. Механизм выбора и назначения ролей DHP такой же, как и DRP. DHP обеспечивает резервное копирование соединительного канала через настройку Home-node, Normal-node и Home-port.

Home-node: определяет устройства на обоих концах соединительного канала DHP, которые завершают DRP пакеты.

Home-port: определяет порт, соединяющий Home-node с внешней сетью. Home-port обеспечивает следующие функции:

  • Отправка ответных пакетов в Root после получения Announce пакетов из Root.
    Root идентифицирует состояние кольца как замкнутое, если он получает ответные пакеты. Если Root не получает ответные пакеты, то он идентифицирует состояние кольца как незамкнутое.
  • Блокировка пакетов DRP внешних сетей и изоляция канала DHP от внешних сетей.
  • Отправка пакетов очистки записи на подключенные устройства во внешних сетях при изменении топологии соединительного канала DHP.

Normal-node: определяет остальные устройства в соединительном канале DHP, за исключением оконечных устройств.

Normal-node устройства передают ответные пакеты Home-node устройств.

 

Стандарт IEC62439-6: 2010 (DRP) - Новая технология восcтановления связей от Kyland.

Развитием существующих технологий резервирования стал новый международный стандарт IEC62439-6 (DRP). Данный стандарт является частью IEC 62439 (2010).
IEC 62439-6: 2010 применим к сетям автоматизации высокой готовности на основе ISO / IEC 8802-3 (IEEE 802.3) технологии (Ethernet). Он определяет протокол восстановления связи между коммутаторами или коммутатором в сети на основе кольцевой топологии и быстрое восcтановление работоспособности системы. Каждый коммутатор имеет равную роль управления в сети. Поддерживается двойное кольцевое резервирование.

Общее описание

Стандарт IEC62439-6: Сети связи промышленные. Сети автоматизации высокой готовности. Часть 6. Протокол распределенного резервирования среды (DRP)

Данный регламент относится к автоматизированным системам, основанным на Ethernet-технологии 8802-3 (ISO/IEC). В стандарте приведены:

  • схема-классификация сетевых характеристик (Приложение А);
  • методология оценки работоспособности сети (Приложение В);
  • ряд коммуникационных протоколов, с помощью которых функционирует автоматизированные сетевые структуры с резервированием, предназначенные для различных промышленных приложений и направлений.

IEC62439-6 – это уже второй международный стандарт промышленной автоматизации, в разработке которого специалисты Kyland приняли непосредственное участие. 
Этот международный стандарт запатентован Kyland в апреле  2010 г. и опубликовано официальное издание.

Данный стандарт поступил в ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ИНФОРМАЦИОННЫЙ ФОНД ТЕХНИЧЕСКИХ РЕГЛАМЕНТОВ И СТАНДАРТОВ

25.040, 35.040

IEC 62439-6(2010)

IEC62439-6 (DRP) являетcя новым поколением кольцевых протоколов Kyland! Все новые коммутаторы поддерживают данный протокол

Основные преимущества

  1. Master-устройство (головной коммутатор) выбирается автоматически в процессе включения всех остальных коммутаторов, объединенных в одно кольцо. Теперь отсутствует необходимость принудительного «ручного» выбора головного коммутатора и инсталлировать все остальные устройства, работающие в данном кольце.
  2. Время восстановления связей в кольце значительно снизилось (< 20 мс) по сравнению с DT-Ring (< 50 мс.). Более того, время восстановления больше не связано с количеством устройств в кольце.
  3. Каждый узел (коммутатор) в кольце периодически отправляет тест сигнал соседним устройствам, проверяя их рабочий статус.
  4. В DT-Ring и MRP, если только одно волокно оптического кабеля разрывается, то головное устройство не будет информировано и восстановление связей не произойдёт. С выходом IEC62439-6 (DRP) эту ситуацию можно будет избежать.
  5. В DT-Ring и MRP, если CPU master-устройства вышел из строя, происходит широковещательный шторм и кольцо не может восстановиться.

Стандарт IEC62439-6/DRP исключает подобную ситуацию, т.к. статус вышедшего из строя головного коммутатора автоматически присваивается другому рабочему коммутатору сети.

Взаимосвязь между DT-Ring и IEC62439-6 (DRP) 

DT-Ring и IEC62439-6/DRP не совместимы. Планируется поэтапно отказаться от DT-Ring в пользу нового протокола. Тем не менее, Kyland временно будет поддерживать оба протокола на новых устройствах.

Основные отличия протоколов резервирования указаны в таблице 1:

Протокол

Стандарт

Потеря кадров

Резервирование

Конечный узел

Топология сети

Время восстановления связи

IP

IP routing

Да

В сети

Один

Звезда

> 30 с типичный не детерминированный

STP

IEEE 802.1D

Да

В сети

Один

Звезда

> 20 с типичный не детерминированный

RSTP

IEEE 802.1D

Да

В сети

Один

Звезда, кольцо

Может быть детерминированным в соответствии с правилами пункта 8

CRP

IEC 62439-4

Да

В конечных узлах

Один или дублирующий

Двойная звезда, перекрестная

<1 с ( не более 512 узлов)

DRP

IEC 62439-6

Да

В сети

Один или дублирующий

Кольцо или двойное кольцо

От 20 мс до 100 мс (при 50 коммутаторах в кольце)

MRP

IEC 62439-2

Да

В сети

Один

Кольцо

500 мс (при 50 коммутаторах в кольце), 200 мс, 30 мс и

10 мс

BRP

IEC 62439-5

Да

В конечных узлах

Дублирующий

Двойная звезда, линейная

4,8 мс (не более 500 узлов)

PRP

IEC 62439-3

Нет

В конечных узлах

Дублирующий

Двойная звезда, независимая

0 с

HSR

IEC 62439-3

Нет

В конечных узлах

Дублирующий

Кольцо, Звезда

0 с