Бесшовное резервирование высокой доступности

Бесшовное резервирование с высокой доступностью ( HSR ) — это сетевой протокол Ethernet , который обеспечивает плавное переключение при сбое любого отдельного сетевого компонента. PRP и HSR не зависят от протокола приложения и могут использоваться большинством протоколов Industrial Ethernet из набора IEC 61784. HSR не распространяется на отказ конечных узлов, но через HSR можно подключить резервные узлы.

Узлы HSR имеют два порта и действуют как мост , что позволяет организовать их в кольцевую или ячеистую структуру без выделенных коммутаторов. Это отличается от сопутствующего стандартного протокола параллельного резервирования (PRP), ^{[ 1 ]} с которым HSR разделяет принцип работы. PRP и HSR стандартизированы IEC 62439-3 :2016. ^{[ 2 ]}

PRP и HSR подходят для приложений, которым требуется высокая доступность и короткое время переключения. ^{[ 3 ]} Для таких приложений время восстановления часто используемых протоколов, таких как протокол быстрого связующего дерева (RSTP), слишком велико. Он был принят для автоматизации электрических подстанций в рамках стандарта IEC 61850 . ^{[ 4 ]} Он используется в синхронизированных приводах (например, в печатных машинах) и инверторах большой мощности. ^{[ 5 ]}

Цена HSR заключается в том, что узлам требуется аппаратная поддержка ( FPGA или ASIC ) для пересылки или отклонения кадров в течение микросекунд. Эти затраты компенсируются тем, что коммутаторы Ethernet не требуются. Аппаратная поддержка необходима в любом случае, если узел поддерживает синхронизацию часов или безопасность.

Топология

Работа сети HSR (многоадресная рассылка)
Формат кадра HSR (с тегом)
Взаимодействие узлов HSR (DANH)

HSR Сетевой узел (DANH) имеет как минимум два порта Ethernet , каждый из которых подключен к соседнему узлу HSR, поэтому между двумя узлами всегда существует два пути. Таким образом, пока один путь работает, целевое приложение всегда получает один кадр. Узлы HSR постоянно проверяют резервирование для обнаружения скрытых сбоев.

HSR обычно используется в кольцевой топологии или в другой ячеистой топологии .

Узлы с одним подключением (например, принтер) подключаются через RedBox (Redundancy Box).

Возможны резервные подключения к другим сетям, особенно к сети с протоколом параллельного резервирования (PRP).

Поскольку HSR и PRP используют один и тот же дублирующийся механизм идентификации, сети PRP и HSR могут быть соединены без единой точки отказа, а одни и те же узлы могут быть созданы для использования как в сетях PRP, так и в HSR.

Операция

Каждый узел HSR является узлом коммутации, т. е. он может пересылать кадр, полученный на одном порту, по крайней мере, на один другой порт в режиме сквозной передачи.

Исходный узел отправляет один и тот же кадр через все порты соседним узлам.

Узел назначения должен в исправном состоянии получить два идентичных кадра в течение определенного временного интервала, переслать первый кадр приложению и отбросить второй кадр, когда (и если) он придет.

Узел пересылает кадр, если только он не обнаружит кадр, который он отправил сам или уже отправил. Чтобы уменьшить одноадресный трафик, узел не пересылает кадр, для которого он является единственным пунктом назначения. (Режим U). Это не относится к случаям, когда необходим надзор за дорожным движением.

Чтобы уменьшить трафик, узел может воздержаться от отправки уже полученного кадра в противоположном направлении на тот же порт (режим X). ^{[ 6 ]} но это касается не всех кадров.

Кроме того, несколько алгоритмов, основанных на изучении местоположения сетевых узлов, могут способствовать сокращению трафика HSR, например блокировка портов и расширенная блокировка портов (PL) и (EPL) соответственно, которые работают над закрытием портов, что приводит к несуществующему узел, ^{[ 7 ]}

В частности, кадры протокола точного времени (многоадресная рассылка) не являются дубликатами друг друга, поскольку они изменяются каждым узлом для коррекции времени. Такие кадры могут быть удалены только тем узлом, который их первоначально вставил, или другим узлом, который их уже отправил. Кроме того, этот режим нельзя использовать, когда требуется детерминированная операция.

Особая обработка предоставляется кадрам, специфичным для канала, таким как кадры LLDP или Pdelay_Req/Pdelay_Resp Precision Time Protocol , для которых тег HSR игнорируется, но должен присутствовать.

Формат кадра

Чтобы упростить обнаружение дубликатов, кадры идентифицируются по адресу источника и порядковому номеру, который увеличивается для каждого кадра, отправляемого в соответствии с протоколом HSR. Порядковый номер, размер кадра и идентификатор пути добавляются в 6-байтовый тег HSR (заголовок).

ПРИМЕЧАНИЕ. Все устаревшие устройства должны принимать кадры Ethernet длиной до 1528 октетов, что ниже теоретического предела в 1535 октетов.

Производительность

В кольце HSR только около половины пропускной способности сети доступно приложениям для многоадресного трафика (по сравнению с RSTP). Это связано с тем, что все кадры передаются дважды по одной и той же сети, даже если сбоев нет. Однако, поскольку в топологиях с закрытым кольцом сетевая инфраструктура также удваивается, номинальная пропускная способность сети остается доступной. Например, в кольце Ethernet 100 Мбит/с доступна скорость 100 Мбит/с (но не 200 Мбит/с).

Выполнение

Поскольку задержка пересылки каждого узла в кольце HSR увеличивает общую задержку сети, кадры пересылаются в течение микросекунд.
На практике аппаратная поддержка ( FPGA ) ^{[ 8 ]} требуется снизить задержку каждого перехода до разумного значения (около 5 мкс при скорости 100 Мбит/с) с помощью сквозной коммутации .
Для этой цели каждый кадр имеет тег HSR, который позволяет распознавать, следует ли пересылать кадр или нет, чтобы избежать промежуточного хранения . Это означает, что поврежденные кадры не будут удалены из кольца, пока не достигнут узла, который их уже отправил.

Синхронизация часов

Приложение C IEC 62439-3 определяет отраслевой профиль протокола точного времени (PIP L2P2P), который позволяет синхронизировать часы с точностью до 1 мкс в кольце из 16 узлов HSR. Этот протокол PTP также позволяет детерминированно использовать кольцо HSR для выделенного класса трафика, например, выборочных значений в IEC 61850 . Он был принят IEEE как IEC/IEEE 61850-9-3 . . ^{[ 9 ]}

См. также

Ссылки

^ МЭК 62439-3, пункт 4.
^ Международная электротехническая комиссия IEC 62439-3: 2016 Промышленные сети связи. Сети автоматизации высокой доступности. Часть 3: Протокол параллельного резервирования (PRP) и бесшовное резервирование высокой доступности (HSR).
^ Киррманн, Хуберт; Джунг, Дакфей. Выбор стандартного метода резервирования для высокодоступных промышленных сетей , 2006 г. Международный семинар IEEE по системам заводской связи, 27 июня 2006 г. Страницы: 386 – 390
^ Киррманн, Хуберт Бесшовное резервирование - безударное резервирование Ethernet для подстанций с МЭК 61850, специальный отчет ABB по обзору, 2013 г.
^ Пустыльник, Михаил; Зафирович-Вукотич, Мира; Мур, Роджер. Производительность протокола быстрого связующего дерева в топологии кольцевой сети , RUGGEDCOM
^ Аллави, Саад; Ри Чон Мён Улучшение производительности трафика с высокой доступностью и бесшовным резервированием (HSR) для связи в интеллектуальных сетях , Журнал коммуникаций и сетей (Том: 14, Выпуск: 6, декабрь 2012 г.)
^ Альтаха, Ибрагим; Ри Чон Мён [1] , Журнал коммуникаций и сетей (том: E98, №: 9 сентября 2015 г.)
^ SoCe HSR-PRP IP-ядро коммутатора
^ Киррманн, Х.; Дикерсон В. Протокол точного времени IEC IEEE. Архивировано 5 февраля 2017 г. в Wayback Machine , Pacworld, сентябрь 2016 г.

Историческая справка

Первоначально протокол назывался HASAR по имени пяти компаний, работающих в электроэнергетических компаниях, которые его создали (Hirschmann, ABB, Siemens, Alstom и RuggedCom). Маркетинг переименовал его в HSR, что означает «бесшовное кольцо высокой доступности», но HSR не ограничивается простой кольцевой топологией.

Дальнейшее чтение

Гейне, Хольгер; Кляйнеберг, Оливер; «Протокол бесшовного резервирования высокой доступности (HSR): надежная отказоустойчивая сеть и предотвращение петель за счет удаления дубликатов», WFCS 2012, Лемго, Германия.
Гейне, Хольгер; Биндрич, Диана; « Проектирование надежных высокопроизводительных сетей связи подстанций IEC61850 на основе топологий PRP и HSR » В распределении электроэнергии (CIRED 2013), 22-я Международная конференция и выставка, Стокгольм, Швеция
Хога, Клеменс « Сетевые решения и удобство их использования в приложениях на подстанциях » в PacWorld, сентябрь 2010 г.
Илие, Диана; Онеггер, Клаудио; Киррманн, Хуберт; Сотиропулос, Иоаннис « Производительность полноаппаратной реализации PTP для резервированной сети автоматизации подстанции IEC 62439-3 IEC 61850 », ISPCS 2012

Внешние ссылки

[1] МЭК 62439-3, пункт 4.

[2] Международная электротехническая комиссия IEC 62439-3: 2016 Промышленные сети связи. Сети автоматизации высокой доступности. Часть 3: Протокол параллельного резервирования (PRP) и бесшовное резервирование высокой доступности (HSR).

[3] Киррманн, Хуберт; Джунг, Дакфей. Выбор стандартного метода резервирования для высокодоступных промышленных сетей , 2006 г. Международный семинар IEEE по системам заводской связи, 27 июня 2006 г. Страницы: 386 – 390

[4] Киррманн, Хуберт Бесшовное резервирование - безударное резервирование Ethernet для подстанций с МЭК 61850, специальный отчет ABB по обзору, 2013 г.

[5] Пустыльник, Михаил; Зафирович-Вукотич, Мира; Мур, Роджер. Производительность протокола быстрого связующего дерева в топологии кольцевой сети , RUGGEDCOM

[6] Аллави, Саад; Ри Чон Мён Улучшение производительности трафика с высокой доступностью и бесшовным резервированием (HSR) для связи в интеллектуальных сетях , Журнал коммуникаций и сетей (Том: 14, Выпуск: 6, декабрь 2012 г.)

[7] Альтаха, Ибрагим; Ри Чон Мён [1] , Журнал коммуникаций и сетей (том: E98, №: 9 сентября 2015 г.)

[8] SoCe HSR-PRP IP-ядро коммутатора

[9] Киррманн, Х.; Дикерсон В. Протокол точного времени IEC IEEE. Архивировано 5 февраля 2017 г. в Wayback Machine , Pacworld, сентябрь 2016 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

v т и Ethernet Семейство локальных сетей технологий
Скорости	10 Мбит/с 100 Мбит/с 1 Гбит/с 2,5 и 5 Гбит/с 10 Гбит/с 25 и 50 Гбит/с 40 и 100 Гбит/с 200, 400, 800 и 1600 Гбит/с
Общий	Физический уровень Автосогласование Тип Эфира Управление потоком Рамки Джамбос
Организации	ИЭЭЭ 802.3 Ethernet Альянс
СМИ	Волокно Витая пара Коаксиальный Первая миля 10G-ЭПОН
Исторический	CSMA/CD СтарЛАН 10ШИРОКИЙ36 10BASE-ФБ 10BASE-ФЛ 10BASE5 10BASE2 ВСЕГДА ФОЙРЛ 100BaseVG ЛаттисНет Дальний охват
Приложения	Аудио Автомобильная промышленность Перевозчик Дата-центр Энергоэффективность Промышленный Метро Власть синхронный
Трансиверы	ГБИК СФП/СФП+/КСФП/КСФП+/ОСФП КСЕНПАК / X2 XFP CFP
Интерфейсы	АУИ ЕАД МДИ ТЫСЯЧА Вторая мировая война XGMII ХАУИ
Категория Коммонс