Протоколы резервирования связи PRP/HSR

В критически важных системах нельзя допускать прерывания связи даже на миллисекунды, так как этого времени будет достаточно, чтобы серьезно повлиять на работу системы или поставить под угрозу безопасность персонала.

В стандарте МЭК 61850 указано, что на подстанциях не должна присутствовать потеря пакетов типа GOOSE и SMV, то есть при построении избыточных топологий связи необходимо организовывать нулевое время переключения между каналами связи (так называемую «бесшовную связь»). Стандарт МЭК 62439 «Промышленные сети связи. Сети с высокой готовностью к автоматической обработке» диктует, что время восстановления связи на объектах должно быть менее 10 мс.

В части 3 стандарта МЭК 62439 описаны протоколы PRP/HSR, которые гарантируют бесшовную передачу данных и надежность развертываемой сети.

Особенности протокола PRP

PRP (Parallel Redundancy Protocol) – протокол параллельного резервирования. При использовании PRP строятся две независимые сети. Каждый пакет данных дублируется и одновременно передается по обеим сетям. Если до получателя доходят оба пакета, то пакет, который пришел позже, отбрасывается. Это позволяет обеспечить бесшовную передачу данных даже при полном отказе одной из сетей.

• Нулевое время восстановления.
• Две независимые сети с любыми топологиями. Оборудование в сетях А и В может быть любым.
• Оборудование, между которым строятся две сети, должны поддерживать PRP.

В протоколе PRP определены следующие типы устройств:

• DANP (Double Attached Node for PRP) – устройство с двумя независимыми интерфейсами, может напрямую подключаться к двум параллельным сетям, работающим в системе PRP. Кроме того, DANP должны уметь взаимодействовать с дублированными пакетами (создавать и отбрасывать копии пакетов).
• SAN (Single Attached Node) – конечное оборудование с одним сетевым интерфейсом. Для подключения SAN-устройств к PRP-сетям необходимо использовать RedBox.
• RedBox (Redundancy Box) – устройство с двумя независимыми интерфейсами, служит для подключения SAN-устройств к PRP-сетям.

RedBox или DANP перед отправкой данных дублируют и маркируют пакеты. Маркировка осуществляется за счет добавления в конец стандартного Ethernet-фрейма идентификатора RCT (Redundancy Сontrol Trailer)

RCT состоит из:

• Номер кадра в последовательности – 16 бит
• Путь - идентификатор сети, по которой будет передаваться пакет – 4 бита
• Размер поля данных – 12 бит (данные + RCT)
• PRP суффикс – 16 бит (0x88FB)

При получении пакета RedBox или DANP анализируют пакет: номер последовательности и MAC-адрес отправителя. Если эти параметры совпадают с такими же параметрами предыдущих пакетов в течение определенного времени, то пакет будет отброшен. Фреймы из разных сетей будут отличаться только контрольной суммой и идентификатором сети.

У коммутаторов Moxa c поддержкой PRP время ожидания дубликата пакета составляет 10 мс для сетей Gigabit Ethernet и 100 мс для сетей Fast Ethernet.  

Особенности протокола HSR

HSR (High-availability Seamless Redundancy) – протокол резервирования кольцевого соединения. HSR используют в кольцевых топологиях. Каждый передаваемый кадр дублируется и передается в обоих направления кольца HSR. Если до получателя доходят оба пакета, то пакет, который пришел позже, отбрасывается. Это позволяет обеспечить бесшовную передачу данных при одиночном обрыве линии связи.

• Нулевое время восстановления.
• Только кольцевые топологии.
• Все оборудование кольца строится только на устройствах, поддерживающих HSR.

В протоколе HSR определены следующие типы устройств:

• DANH (Double Attached Node for HSR) – устройство с двумя независимыми интерфейсами, могут напрямую подключаться в кольцо HSR.
• SAN (Single Attached Node) – конечное оборудование с одним сетевым интерфейсом. Для подключения SAN устройств к кольцу HSR необходимо использовать RedBox.
• RedBox (Redundancy Box) - устройство с двумя независимыми интерфейсами, служит для подключения SAN устройств к кольцу HSR и передает дублированные пакеты в обоих направлениях кольца.
• Quadbox – устройство для объединения нескольких колец HSR в единую систему.

RedBox или DANH перед отправкой данных дублируют и маркируют пакеты. В отличие от протокола PRP, маркировка осуществляется за счет добавления в начало Ethernet фрейма HSR-идентификатора. За счет этого время на обработку пакетов при прохождении их по кольцу уменьшается.

HSR тег состоит из:

• Типа HSR – 16 бит (0x892F)
• Путь – 4 бита. У коммутаторов Moxa путь всегда равен «0000», так как сеть передачи данных одна.
• Номер последовательности – 16 бит
• Размер поля данных – 12 бит (данные + HSR-тег + тип)

Метод обработки пакетов у HSR такой же, как у PRP – анализируется MAC-адрес отправителя и номер последовательности. Каждое HSR-устройство в кольце анализирует все пакеты и отбирает пакеты со своим адресом в качестве получателя и multicast-пакеты. С unicast-пакетами устройство HSR поступает также, как и PRP – отбрасывает одинаковые пакеты, пришедшие в определенный период времени.

У коммутаторов Moxa c поддержкой HSR время ожидания дубликата пакета составляет 10 мс для сетей Gigabit Ethernet и 100 мс для сетей Fast Ethernet.  

При получении multicast-пакета анализируется адрес отправителя: если пакет был отправлен этим же HSR устройством (то есть прошел все кольцо), то такой пакет тоже будет отброшен для предотвращения широковещательного шторма.

Объединение нескольких колец HSR в единую систему

Для масштабирования системы, построенной на кольцах HSR, используют устройства QuadBox.

Данные внутри колец передаются стандартно в двух направлениях. Между кольцами сквозь QuadBox передается только первый пакет, а дубликат отбрасывается.

PRP/HSR Coupling - построение гибкой системы

Чтобы можно было обойти топологические ограничения в технологиях PRP/HSR и построить более сложную резервированную и масштабируемую систему, используют технологию PRP/HSR Coupling.

При переходе кадра из сети PRP в кольцо HSR пограничный RedBox поменяет тег RCT на тег HSR, аналогично - при обратной пересылке кадра (тег HSR будет изменен на тег RCT).

RSTP Grouping

Самой популярной технологией резервирования сетей Ethernet является RSTP, и многие системы связи уже построены на ее основе. Но данная технология имеет ряд ограничений, в том числе достаточно длительное время восстановления и лимит на количество устройств в сети (Подробнее о протоколе RSTP). Компания Moxa разработала технологию RSTP Grouping, которая позволяет преодолеть эти ограничения, а также построить систему RSTP совместно с технологиями резервирования PRP и HSR. 

В классическом варианте сеть RSTP не может быть подключена к кольцу HSR или PRP-подсетям. Стандартное оборудование PRP/HSR не распознаёт служебные пакеты (bpdu) протокола RSTP и не передаёт их в нужные подсети. Пакеты bpdu, не достигая своего получателя, продолжат передаваться по всей RSTP-сети, и этот участок не сможет корректно функционировать.

Специализированные коммутаторы Moxa понимают bpdu-пакеты протокола RSTP и передают их сквозь кольцо HSR или подсети PRP. Кроме того, для преодоления ограничения в количестве устройств в одной сети RSTP Moxa предложила разделять систему на отдельные RSTP-домены. При этом bpdu-пакеты каждой из RSTP-групп передаются сквозь сети HSR/PRP только на порты этой же RSTP группы. Как раз это и позволяет преодолеть ограничение по количеству устройств в RSTP системе.

Применение функции RSTP Grouping в PRP сетях наносит на них некоторые ограничения:

• Каждая из PRP-сетей не должна быть построена с применением протокола RSTP. Иначе служебные пакеты RSTP подсети PRP могут привести к путанице с bpdu-пакетами цепочек RSTP Grouping.
• Если нужно построить отказоустойчивую сеть внутри PRP подсетей, то следует использовать кольцевые топологии и протокол Turbo Ring v2. Только используя этот протокол можно наверняка предсказать поведения устройств внутри подсетей и гарантировать корректную передачу RSTP пакетов.
• Для применения RSTP Grouping в PRP топологиях на коммутаторах PT-7728-PTP должна быть установлена специализированная прошивка* 

Компания Moxa первая в Мире разработала Redbox с поддержкой всех топологий нулевого резервирования (PTP, HSR, Coupling, Quadbox) – PT-G503-PHR-PTP. 

Коммутатор PT-7728-PTP совместно с модулем PM-7200-4GSFP-PHR-PTP или PM-7200-4GTX-PHR-PTP также может быть применен в топологиях PTP/HSR и RSTP Grouping.

*Прошивка с поддержкой RSTP Grouping в PRP предоставляется по запросу на support@moxa.ru