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朝花夕拾:HSR/PRP冗余协议(一)

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,和PRP协议的主要机制,并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,使各位读者能够具体了解HSR/PRP的实际应用。

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协议位于其中的第3部分,即IEC 62493。点此查看IEC官方协议的链接>>>

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,每次修订均会修订或添加不少新的内容:

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。

什么是PRP冗余机制?

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
  • DANPDoubly Attached Node implementing PRPPRP的双端口节点,可直接发送PRP流量
  • RedBoxRedundancy 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 FrameB 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:

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:

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,将原始帧复制一份,打上AB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MACRCT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。

下面是虹科技术工程师测试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

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,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:

  • 数据热交换,某个子网出现故障时,零恢复延时,不丢数据
  • 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
  • 在任何网络拓扑结构中均可使用
  • 支持实时应用场景的数据传输
  • 需要搭建两个物理或逻辑独立的子网

虹科HSR/PRP解决方案

1. 虹科HSR/PRP IP核解决方案

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:

  • 集成10/100/1000多速率MAC,可提供(R)(G)MII接口与PHY芯片对接
  • 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
  • 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
  • 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
  • 支持1588v2混合时钟(仅从站)、IRIG-B主时钟的同步方式
  • 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
  • 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….
2. HSR/PRP交换机——RELY-RB/RELY-RB+2
  • 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
  • 支持丰富的网管、同步、冗余等协议,如802.1Q、HSR/PRP、RSTP、SNMP、IEEE 1588v2、NTP…
  • 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
  • “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

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