Протокол параллельного резервирования

Протокол параллельного резервирования ( PRP ) — это стандарт сетевого протокола для Ethernet , который обеспечивает плавное переключение при сбое любого сетевого компонента. Эта избыточность невидима для приложения.

Узлы PRP имеют два порта и подключаются к двум отдельным сетям с одинаковой топологией. PRP может быть полностью реализован программно, т.е. интегрирован в сетевой драйвер. Узлы с одним подключением могут быть подключены только к одной сети. Это контрастирует с сопутствующим стандартом HSR (IEC 62439-3, пункт 5), с которым PRP разделяет принцип работы.

PRP и HSR не зависят от протокола приложения и могут использоваться большинством протоколов Industrial Ethernet из набора IEC 61784. PRP и HSR стандартизированы IEC 62439-3:2016. ^[1]). Они были приняты для автоматизации подстанций в рамках стандарта IEC 61850 .

PRP и HSR подходят для приложений, которым требуется высокая доступность и короткое время переключения. ^[2] такие как: защита электрической подстанции , ^[3] синхронизированные приводы, например, в печатных машинах или инверторах высокой мощности. Для таких приложений время восстановления часто используемых протоколов, таких как протокол быстрого связующего дерева (RSTP), слишком велико. ^[4]

Стоимость PRP — это дублирование всех элементов сети, которые в нем нуждаются. Влияние на стоимость невелико, поскольку не имеет большого значения, лежат ли запасные части на полке или действительно работают на заводе. Интервал технического обслуживания сокращается, поскольку при использовании может выйти из строя большее количество компонентов, но такой сбой останется невидимым для приложения.

PRP не распространяется на сбои конечных узлов, но резервные узлы могут быть подключены через сеть PRP.

Топология

Работа сети PRP
Формат кадра PRP (с трейлером)
Взаимодействие узлов PRP (DANP)

PRP Каждый сетевой узел (DANP) имеет два порта Ethernet, подключенных к двум отдельным локальным сетям произвольной, но схожей топологии. Две локальные сети не имеют соединяющих их каналов, и предполагается, что они не зависят от сбоев, чтобы избежать сбоев общего режима.

Узлы с одним подключением (например, принтер) либо подключаются только к одной сети (и, следовательно, могут взаимодействовать только с другими узлами, подключенными к той же сети), либо подключаются через RedBox — устройство, которое ведет себя как узел с двойным подключением. ^[5]

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

Исходный узел (DANP) отправляет одновременно две копии кадра, по одной на каждый порт. Два кадра проходят через соответствующие локальные сети, пока не достигнут узла назначения (DANP) с определенным временным сдвигом. Узел назначения принимает первый кадр пары и отбрасывает второй (если он прибывает). Таким образом, пока работает одна локальная сеть, целевое приложение всегда получает один кадр. PRP обеспечивает восстановление с нулевым временем и позволяет непрерывно проверять резервирование для обнаружения скрытых сбоев.

Формат кадра

Чтобы упростить обнаружение дубликатов, кадры идентифицируются по адресу источника и порядковому номеру, который увеличивается для каждого кадра, отправленного в соответствии с протоколом PRP. Порядковый номер, размер кадра, идентификатор пути и тип Ethertype добавляются непосредственно перед контрольной суммой Ethernet в 6-октетном трейлере PRP. Этот трейлер игнорируется (расценивается как дополнение) всеми узлами, которые не знают о протоколе PRP, и поэтому эти одиночные узлы (SAN) могут работать в одной сети.
ПРИМЕЧАНИЕ. Все устаревшие устройства должны принимать кадры Ethernet длиной до 1528 октетов, что ниже теоретического предела в 1535 октетов.

Выполнение

Два интерфейса Ethernet узла используют один и тот же MAC-адрес . Это разрешено, поскольку две локальные сети не имеют соединения. Таким образом, PRP представляет собой резервирование уровня 2, которое позволяет сетевым протоколам более высокого уровня работать без изменений. Узлу PRP нужен только один IP- адрес. В частности, протокол ARP правильно свяжет MAC с IP-адресом.

Синхронизация часов

Приложение C IEC 62439-3 определяет отраслевой профиль протокола точного времени , который поддерживает синхронизацию часов через PRP с точностью 1 мкс после 15 сетевых элементов, как профиль протокола точного времени IEEE Std 1588 .

Часы могут быть подключены дважды в соответствии с PRP, но поскольку коррекция различается в зависимости от пути, метод PRP отбрасывания дубликатов неприменим. Кроме того, сообщения измерения задержки (Pdelay_Req и Pdelay_Resp) не дублируются, поскольку они локальны для канала.

Примерно каждую секунду главные часы отправляют две копии сообщения синхронизации, но не в одно и то же время, поскольку порты разделены, поэтому исходные сигналы синхронизации уже имеют разные отметки времени.

Подчиненное устройство получает два сообщения синхронизации в разное время и применяет алгоритм наилучшего главного синхроимпульса (BMCA), а когда два сообщения синхронизации поступают от одного и того же гроссмейстера, качество тактового сигнала используется в качестве разрешения тай-брейка. Ведомое устройство обычно слушает один порт и контролирует другой, вместо того, чтобы переключаться туда и обратно или использовать обе синхронизации.

Этот метод работает для нескольких вариантов в 1588, с работой уровня 2/уровня 3 и с одноранговым/сквозным измерением задержки. МЭК 62439-3 определяет эти два профиля как:

L3E2E (уровень 3, сквозной), соответствующий требованиям ODVA.
L2P2P (уровень 2, одноранговая сеть), который соответствует требованиям электроэнергетической компании в IEC 61850 и принят IEEE в IEC&IEEE 61850-9-3. ^[6]

Устаревшие версии

Исходный стандарт IEC 62439:2010 увеличивал порядковый номер трейлера управления резервированием (RCT) в кадрах PRP для каждого соединения. Это обеспечило хороший охват обнаружения ошибок, но затруднило переход от PRP к протоколу High-availability Seamless Redundancy (HSR), который использует кольцевую топологию вместо параллельных сетей.

Пересмотренный стандарт IEC 62439-3:2012 согласовал PRP с HSR, используя тот же алгоритм удаления дубликатов. Это позволило построить прозрачные мосты и узлы соединения PRP-HSR, которые могут работать как PRP (DANP), так и HSR (DANH).

Старый стандарт IEC 62439:2010 иногда называют PRP-0, поскольку он до сих пор используется в некоторых системах управления, а PRP 2012 — «PRP». ^[7]

Приложения

Интересное применение PRP было найдено в области беспроводной связи в качестве «Тайминг-объединителя» [ ^[8]], что приводит к значительному улучшению показателей потери пакетов и временных характеристик по параллельным резервным беспроводным каналам.

См. также

Ссылки

^ 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
^ «Резервный ящик» . Цюрихский университет прикладных наук . Проверено 20 августа 2014 г.
^ Киррманн, Хуберт; Дикерсон, Уильям IEC Протокол точного времени IEEE , Pacworld, сентябрь 2016 г.
^ «Стандартизация PRP» . Цюрихский университет прикладных наук . Проверено 20 августа 2014 г.
^ Рентшлер, М.; Лаукеманн, П., «Анализ производительности параллельной резервной WLAN», Emerging Technologies & Factory Automation (ETFA), 2012 г., 17-я конференция IEEE, том, №, стр. 1, 8, 17–21 сентября 2012 г.

Внешние ссылки

[1] 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).

[2] 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

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

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

[5] «Резервный ящик» . Цюрихский университет прикладных наук . Проверено 20 августа 2014 г.

[6] Киррманн, Хуберт; Дикерсон, Уильям IEC Протокол точного времени IEEE , Pacworld, сентябрь 2016 г.

[7] «Стандартизация PRP» . Цюрихский университет прикладных наук . Проверено 20 августа 2014 г.

[8] Рентшлер, М.; Лаукеманн, П., «Анализ производительности параллельной резервной WLAN», Emerging Technologies & Factory Automation (ETFA), 2012 г., 17-я конференция IEEE, том, №, стр. 1, 8, 17–21 сентября 2012 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]