朝花夕拾:HSR/PRP冗余协议(一) |
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引言
近年来,列车、工控甚至互联网等行业对网络可靠性传输的需求不断提升,加之当今的网络拓扑也越来越复杂,亟需一项兼容性好、易于使用的冗余协议。如此背景使得HSR/PRP这两项发布已久,并在电力行业已经得到广泛使用、验证的冗余协议,再次出现在人们的视野之中。本文将简要介绍HSR/PRP协议本身的一些概念,并简要介绍PRP协议的主要机制。最后则将通过展示虹科与西班牙的合作伙伴SoC-e/RELYUM提供的HSR/PRP相关解决方案。来进一步说明HSR/PRP的实际应用。 1. 什么是HSR/PRP?HSR/PRP全称分别为High-availability Seamless Redundancy(高可靠性无缝冗余)与Parallel Redundancy Protocol(并行冗余协议),其所属的国际标准为IEC 62439,这是一个专注于解决高可靠性自动化网络传输的标准,共有7个部分,分别描述在链路层实现冗余的多种方法: HSR/PRP协议分别提供独特的冗余机制进行网络链路的冗余备份,简要的机制介绍如下: 名词概念: SAN: Singly Attached Node,单端口节点,不实现PRP功能 DANP: Doubly Attached Node implementing PRP,PRP的双端口节点,可直接发送PRP流量 RedBox: Redundancy Box,冗余盒,将SAN传入的流量转换成PRP流量发送出去 C Frame: 原始信息帧,指代用户想要冗余备份的信息 A Frame、B Frame: 附带特定字段的PRP信息帧,由原始信息帧扩展而来 PRP冗余机制的实现,主要依托于两个逻辑或物理分隔的子网(LAN A,LAN B,即所谓的A网、B网),以上图中的信息传输为例:PRP发送方(Source DANP)将原始信息帧(C Frame)复制一份,并在两份帧中添加一特定字段(RCT,下面会提到这个),形成PRP信息帧(A Frame、B Frame),分别从自身的两个端口发送出去(分别对应A网、B网),分别途径两个独立的子网到达同一个PRP接收方(Destination DANP);PRP接收方从两个端口分别接收到这两份PRP信息帧后,会经过一系列的帧处理算法进行处理,简而言之,就是依据“先来后到”的原则,将后到达的PRP信息帧消除,仅保留一份先到达的PRP信息帧,将特定字段消除后,还原成原来的原始信息,传递给上层。 那么问题来了,“A帧”和“B帧”是如何产生和消除的?具体的帧组成又是怎样的呢?请看下图:
LRE所实现的总体功能,就如先前所提到的:发送方向,将原始帧复制一份,打上A、B两个子网的RCT字段,向两个端口分别发送;接收方向,则是根据源MAC、RCT中的帧序列号识别某一PRP帧,后依据“先来后到”的原则,仅保留一份PRP信息帧,褪去RCT字段后传输给上层应用程序。而LRE子层内部的具体实现,有兴趣的读者可以自行移步IEC官网了解。 下面是笔者测试SoC-e MEZU开发板(已搭载SoC-e PRP IP核,用作Redbox)时的一些抓包情况,详细测试环境此处省略,仅供各位读者参考PRP抓包的一些信息: 可以在A网SAN节点中wireshark的抓包情况中看到,MEZU开发板转发ping帧的末尾中已经附带了6字节的RCT字段,也对应了RCT中的各个位域: 00 04: 帧序列号a: LAN ID,指示这是A网0 5a: 即十进制的90,即RCT+Payload段的长度,104减去以太网帧的14个字节的源MAC、目的MAC、帧类型(不包含前导码和FCS)88 fb: PRP帧后缀![]() 最后对PRP做一个简要的特点总结: 1、数据热交换,某个子网出现故障时,零恢复延时,不丢数据 2、纯二层的实现,可用于现有的任何工业以太网中,对应用层的程序透明 3、在任何网络拓扑结构中均可使用 4、支持实时应用场景的数据传输 5、需要搭建两个物理或逻辑独立的子网 3. HSR/PRP的具体应用虹科与西班牙合作伙伴SoC-e/RELYUM给国内的客户带来了有关于HSR/PRP的多种解决方案,包括面向OEM厂商的基于FPGA的HPS(HSR/PRP Switch)、MRS(Managed Redundant Switch)IP核,面向工业终端用户的成品HSR/PRP板卡、交换机等等。关键特性如下: HPS IP核: RELY-RB HSR/PRP交换机: 在以太网技术和IP技术广泛应用的现在,传统的音视频广播行业也完成了向AoIP(Audio over IP)的转型,将以往需要专用硬件(HEADEND)和专用电缆所架构的音视频传输网络,由以太网/IP方案、高级应用软件以及通用服务器所替代。 但基于以太网/IP的新型的设备与网络架构也面临着新的问题:如何实现零延时的故障切换,以在故障发生时保持所有站点间内容的紧密同步? 参考资料: [1]李俊刚,宋小会,狄军峰,魏勇.基于IEC 62439-3的智能变电站通信网络冗余设计[J].电力系统自动化,2011,35(10):70-73. [2]SoC-e HSR-PRP IP coredatasheet [3]wiki百科,HSR词条: https://en.wikipedia.org/wiki/High-availability_Seamless_Redundancy [4]wiki百科,PRP词条: https://en.wikipedia.org/wiki/Parallel_Redundancy_Protocol [5]Tutorial on PRP: https://www.solutil.ch/kirrmann/IEC_62439-3/IEC_62439-3.4_PRP_Kirrmann.pdf [6]Tutorial on HSR: https://www.solutil.ch/kirrmann/IEC_62439-3/IEC_62439-3.5_HSR_Kirrmann.pdf |
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