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零丢包!可靠性最高的工业网络传输协议——HSR/PRP冗余协议

作者:www.cechina.cn2021.07.30阅读 12424


图片来源:虹科

  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。
  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 62439CONTROL ENGINEERING China版权所有,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:



  ▎IEC 62439 标准与IEC 62439-3

  而HSR/PRP协议位于其中的第3部分,即IEC 62439-3,IEC官方的协议链接如下:
  https://webstore.iec.ch/publication/24438
  自2008年标准发布以来,IEC 62439-3也经过了2010年、2012年、2016年的三次修订www.cechina.cn,每次修订均会修订或添加不少新的内容:

  ▎IEC 62439-3 各版本修订内容

  从中也可以看到实际上2008年第一版的协议中只有PRP协议,HSR协议是在2010年的第二版中才添加进去的。
  最初,IEC发布此项标准主要目的是为了满足IEC 61850-5中所提到的变电站自动化应用中各通信组件或服务故障所要求的恢复时间问题,但协议设计时的通用性,使得这两项协议能不仅仅适用于变电站的应用场景下,而是成为一项工业网络中的通用解决方案。
  PRP如何实现冗余? 
  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。

  ▎PRP网络简要示意图

  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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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:

  ▎DANP内部原理图(一)

  ▎DANP内部原理图(二)

  这是DANP节点的简要示意图,主要分为上层(链路层以上)、LRE(Link Redundancy Entity,链路层冗余实体)子层、下层(链路层及物理层)。可以看到PRP设备的内部实现只是在标准以太网设备的MAC层中增添了一个LRE子层,这个子层内部实现了PRP信息帧的产生和消除算法。具体而言,就是在原始信息帧的基础上,增加了一个RCT(Redundancy Control Trailer,冗余控制体)字段,并针对这个字段进行一系列的处理,基于802.3标准以太网的PRP帧格式如下图所示:

  ▎802.3 PRP帧格式

  RCT字段由6个字节组成,内部又会细分为不同的位域,指代不同的含义,简要介绍如下:
  ●Sequence Number: 16位帧序列号,LRE对同一原始信息帧复制而来的PRP帧赋予相同的序列号,并会随PRP帧的发送而递增序列号的值
  ●LSDU size:12位载荷大小,标识Payload字段+RCT字段的总字节大小
  ●Lan Id:4位子网ID,仅有两个值可选,0xa、0xb,代表A、B两个子网
  ●PRP Suffix:16位PRP信息帧后缀,固定为0x88fb
  LRE所实现的总体功能,就如先前所提到的:发送方向www.cechina.cn,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:

  ▎虹科SoC-e MEZU开发板,已搭载SoC-e PRP IP核

  ▎抓包情况——A网的SAN节点

  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控制工程网版权所有,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

  ▎抓包情况——B网的SAN节点

  另一边B网中的SAN节点的抓包情况也大同小异,只是LAN ID字段有所不同:
  00 04:帧序列号
  b:LAN ID,指示这是B网
  0 5a:即十进制的90控制工程网版权所有,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,零切换延时,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
  HSR/PRP解决方案
  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:

  ▎VIVADO中的HPS配置GUI

  1、集成10/100/1000多速率MAC,可提供(R)(G)MII接口与PHY芯片对接
  2、提供基于输入端口、VLAN PCP(802.1Q)、DSCP TOS(IPv4/IPv6)等方式的QoS管理机制
  3、支持自定义的基于源、目的MAC的报文帧过滤,支持最高4Kbytes的巨型帧
  4、实现HSR/PRP冗余协议,HSR模式下支持HSR-SAN、HSR-PRP、HSR-HSR三种运行模式
  5、支持1588v2混合时钟(仅从站)、IRIG-B主时钟的同步方式
  6、向外部提供AXI4-Lite、UART、MDIO、CoE(Configuration over Ethernet)这四种配置IP内部的控制/统计用寄存器的手段
  7、支持Xilinx旗下多个系列、多个型号的FPGA,如6系列的Spartan、Virtex,7系列的Zynq, Spartan, Artix, Kintex, Virtex等等等等....
  RELY-RB HSR/PRP交换机:

  ▎RELY-RB——整体视图

  ▎RELY-RB——正面接口

  ▎RELY-RB——背面接口

  ▎RELY-RB+2多口HSR/PRP交换机——正面接口

  1、产品已经推出6年,成熟可靠,并已广泛应用于欧洲各个行业,构建高可靠性的工业网络
  2、支持丰富的网管、同步、冗余等协议,如802.1Q、HSR/PRP、RSTP、SNMP、IEEE 1588v2、NTP...
  3、嵌入式的网页管理器,不需要安装额外的配置软件,配置界面简洁、友好
  4、“1+2+2”的以太网端口配置,提供1个交换机管理接口、2个interlink端口、2个HSR/PRP冗余端口;另有RELY-RB+2的可选型号,可提供高达“1+7+2”的端口配置
  应用案例
  在以太网技术和IP技术广泛应用的今天,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?

  ▎SMPTE 2022-7冗余网络场景——实际上与PRP的相同

  ▎RTP协议所处的位置——传输层

  传统音视频网络的冗余采用的是SMPTE 2022-7这个基于RTP(Real-time Transport Protocol)协议的冗余标准:与PRP冗余网络的场景相同,也是两个子网,发送方在RTP报头中插入了序列号等信息(类似于PRP协议的RCT字段),接收方可以地通过识别RTP报头中的特定信息,但是此标准在AoIP网络中很明显地会出现“水土不服”——RTP是一个建立在UDP协议之上的传输层的子层,意味着相当多不基于UDP的报文(如HTTPS、SSH等等)无法通过这项标准进行冗余传输。
  而PRP正是此困境的解决方案,纯二层实现使得更上层的协议能够顺利的基于PRP进行冗余传输,而RELY基于自家的RELY-PCIe、RELY-RB产品为欧洲一家老牌的音视频广播服务公司提供PRP冗余方案的实现,以下为网络的拓扑图:

  ▎应用案例——音视频广播行业

  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 core datasheet
  [3] wiki百科,HSR词条,High-availability Seamless Redundancy - Wikipedia
  [4] wiki百科,PRP词条,Parallel Redundancy Protocol - Wikipedia

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