Высокая доступность, бесшовное резервирование
| Промышленные сети связи: высокая доступность, бесшовное резервирование | |
 Эксплуатация сети HSR (многоадресная передача) | |
| Аббревиатура | ВСМ |
|---|---|
| Статус | Активный |
| Год начался | 25 февраля 2010 г. ( 2010-02-25 ) |
| Впервые опубликовано | 25 февраля 2010 г. ( 2010-02-25 ) |
| Последняя версия | 4.00 21 апреля 2023 г. ( 2023-04-21 ) |
| Организация | Международная электротехническая комиссия |
| Ряд | МЭК 62439 |
| Редакторы | Международная электротехническая комиссия |
| Авторы | Технический комитет IEC 65/SC 65C Промышленные сети/WG 15 Сети высокой доступности |
| Сопутствующие стандарты | Протокол быстрого связующего дерева, IEEE 802.1Q Протокол резервирования среды передачи данных IEC 62493-2 |
| Домен | Промышленный Ethernet |
| Веб-сайт | https://www.iec.ch/ |
High-availability Seamless Redundancy ( HSR ) — сетевой протокол для Ethernet , который обеспечивает бесшовное переключение при отказе любого отдельного сетевого компонента. PRP и HSR не зависят от прикладного протокола и могут использоваться большинством промышленных протоколов Ethernet в наборе IEC 61784. HSR не покрывает отказ конечных узлов, но резервные узлы могут быть подключены через HSR.
Узлы HSR имеют два порта и действуют как мост , что позволяет организовать их в кольцевую или сетчатую структуру без выделенных коммутаторов. Это отличается от сопутствующего стандарта Parallel Redundancy Protocol (PRP), [1] с которым HSR разделяет принцип работы. PRP и HSR стандартизированы IEC 62439-3:2016. [2]
PRP и HSR подходят для приложений, требующих высокой доступности и короткого времени переключения. [3] Для таких приложений время восстановления обычно используемых протоколов, таких как Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), слишком велико. Он был принят для автоматизации электрических подстанций в рамках IEC 61850. [4] Он используется в синхронизированных приводах (например, в печатных машинах) и инверторах высокой мощности. [ 5]
Стоимость HSR заключается в том, что узлам требуется аппаратная поддержка ( FPGA или ASIC ) для пересылки или отбрасывания кадров в течение микросекунд. Эта стоимость компенсируется, поскольку не требуются коммутаторы Ethernet. Аппаратная поддержка в любом случае необходима, когда узел поддерживает синхронизацию часов или безопасность.
Топология
- Эксплуатация сети HSR (многоадресная передача)
- Формат кадра HSR (с тегом)
- Взаимодействие узлов HSR (DANH)
Узел сети HSR (DANH) имеет по крайней мере два порта Ethernet , каждый из которых подключен к соседнему узлу HSR, так что между двумя узлами всегда существует два пути. Таким образом, пока один путь работает, приложение назначения всегда получает один кадр. Узлы HSR постоянно проверяют избыточность для обнаружения скрытых сбоев.
HSR обычно используется в кольцевой топологии или в другой сетчатой топологии .
Узлы с одним подключением (например, принтер) подключаются через RedBox (Redundancy Box).
Возможны резервные подключения к другим сетям, особенно к сети с протоколом параллельного резервирования (PRP).
Поскольку HSR и PRP используют один и тот же механизм идентификации дубликатов, 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 сетях HSR.
Операция
Каждый узел HSR является коммутационным узлом, т.е. он может пересылать кадр, полученный на одном порту, по крайней мере на один другой порт в сквозном режиме.
Узел-источник отправляет один и тот же кадр через все порты соседним узлам.
Узел назначения должен получить в исправном состоянии два идентичных кадра с определенным временным сдвигом, переслать первый кадр приложению и отбросить второй кадр, когда (и если) он поступит.
Узел пересылает кадр, если только он не обнаруживает кадр, который он сам отправил или который он уже отправил. Чтобы уменьшить одноадресный трафик, узел не пересылает кадр, для которого он является единственным пунктом назначения (режим U). Это не применяется, когда требуется контроль трафика.
Чтобы уменьшить трафик, узел может воздержаться от отправки кадра, который он уже получил с противоположного направления на том же порту (режим X) [6] , но это не относится ко всем кадрам.
Кроме того, несколько алгоритмов, основанных на изучении местоположения сетевых узлов, могут использоваться для сокращения трафика HSR, такие как блокировка портов и улучшенная блокировка портов (PL) и (EPL) соответственно, которые работают над закрытием портов, ведущих к несуществующему узлу, [7]
В частности, кадры протокола точного времени (многоадресные) не являются дубликатами друг друга, поскольку они изменяются каждым узлом для исправления времени. Такие кадры могут быть удалены только узлом, который изначально их вставил, или другим узлом, который уже их отправил. Кроме того, этот режим не может использоваться, когда требуется детерминированная работа.
Специальная обработка применяется к кадрам, специфичным для канала, таким как кадры LLDP или Pdelay_Req / Pdelay_Resp Precision Time Protocol , для которых тег HSR игнорируется, но должен присутствовать.
Формат кадра
Для упрощения обнаружения дубликатов кадры идентифицируются по их исходному адресу и порядковому номеру, который увеличивается для каждого кадра, отправленного в соответствии с протоколом HSR. Порядковый номер, размер кадра и идентификатор пути добавляются в 6-октетный тег HSR (заголовок).
ПРИМЕЧАНИЕ: все устаревшие устройства должны принимать кадры Ethernet длиной до 1528 октетов, что ниже теоретического предела в 1535 октетов.
Производительность
В кольце HSR только около половины пропускной способности сети доступно приложениям для многоадресного трафика (по сравнению с RSTP). Это происходит потому, что все кадры отправляются дважды по одной и той же сети, даже если нет сбоя. Однако, поскольку сетевая инфраструктура также удваивается в топологиях замкнутого кольца, номинальная пропускная способность сети доступна. Например, в кольце Ethernet 100 Мбит/с доступно 100 Мбит/с (но не 200 Мбит/с).
Выполнение
Поскольку задержка пересылки каждого узла в кольце HSR добавляется к общей задержке сети, кадры пересылаются в течение микросекунд.
На практике требуется аппаратная поддержка ( FPGA ) [8]
, чтобы снизить задержку на переход до разумного значения (около 5 мкс при 100 Мбит/с) с помощью сквозной коммутации .
Для этой цели каждый кадр имеет тег HSR, который позволяет распознавать, следует ли пересылать кадр или нет, чтобы избежать промежуточного хранения . Это означает, что поврежденные кадры не будут удалены из кольца, пока не достигнут узла, который уже отправил их.
Синхронизация часов
IEC 62439-3 Приложение C определяет профиль отраслевого протокола точного времени (PIP L2P2P), который позволяет синхронизировать часы с точностью до 1 мкс в кольце из 16 узлов HSR. Этот протокол PTP также позволяет детерминированно управлять кольцом HSR для выделенного класса трафика, например, выборочных значений в IEC 61850. Он был принят IEEE как IEC/IEEE 61850-9-3 , . [9]
Смотрите также
Ссылки
- ^ МЭК 62439-3, пункт 4
- ^ 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; Дзунг, Дакфей. Выбор стандартного метода резервирования для высокодоступных промышленных сетей , 2006 IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, 27 июня 2006 г. Страницы: 386 – 390
- ^ Киррманн, Хуберт Бесшовное резервирование — плавное резервирование Ethernet для подстанций с IEC 61850. Специальный отчет ABB, 2013 г.
- ^ Пустыльник, Майкл; Зафирович-Вукотич, Мира; Мур, Роджер Производительность протокола Rapid Spanning Tree в топологии кольцевой сети , RUGGEDCOM
- ^ Аллави, Саад; Ри Джонг Мён Улучшение производительности трафика с высокой доступностью и бесшовным резервированием (HSR) для интеллектуальных сетей связи , Журнал коммуникаций и сетей (Том: 14, Выпуск: 6, Декабрь 2012)
- ^ Альтаха, Ибрагим; Ри Джонг Мён [1] , Журнал коммуникаций и сетей (Том: E98, №:9 сентября 2015 г.)
- ^ SoCe HSR-PRP Switch IP Core
- ^ Киррманн, Х.; Дикерсон В. IEC IEEE Precision Time Protocol Архивировано 05.02.2017 в Wayback Machine , Pacworld, сентябрь 2016 г.
Историческая справка
Первоначально протокол назывался HASAR по первой букве названий пяти компаний, работающих на электроэнергетические компании, которые его создали (Hirschmann, ABB, Siemens, Alstom и RuggedCom). Маркетинг переименовал его в HSR, что означает «High-availability Seamless Ring» (бесшовное кольцо высокой доступности), но HSR не ограничивается простой кольцевой топологией.
Дальнейшее чтение
- Хайне, Хольгер; Кляйнеберг, Оливер; «Протокол бесшовного резервирования высокой доступности (HSR): надежная отказоустойчивая сеть и предотвращение циклов посредством удаления дубликатов», WFCS 2012, Лемго, Германия
- Хайне, Хольгер; Биндрих, Диана; «Проектирование надежных высокопроизводительных сетей связи подстанций IEC61850 на основе топологий PRP и HSR» в журнале «Распределение электроэнергии» (CIRED 2013), 22-я международная конференция и выставка, Стокгольм, Швеция
- Хога, Клеменс «Сетевые решения и их применимость в подстанциях» в PacWorld, сентябрь 2010 г.
- Илие, Диана; Хонеггер, Клаудио; Киррманн, Хуберт; Сотиропулос, Иоаннис «Производительность полнофункциональной аппаратной реализации PTP для резервной сети автоматизации подстанций IEC 61850 по стандарту IEC 62439-3», ISPCS 2012
Внешние ссылки
- МЭК 62439-3
- Учебник по HSR
- Учебное пособие по протоколу параллельного резервирования (PRP)
- Учебное пособие по отказоустойчивым профилям протокола точного времени в IEC 62439-3
- База данных тканей IEC 62439-3 (технические вопросы) для IEC 62439-3 / IEC/IEEE 61850-9-3
- Протокол бесшовного резервирования высокой доступности ZHAW
- MOXA, Решения для подстанций PRP/HSR
- HIRSCHMANN HSR Высокая доступность Бесшовное резервирование
- Flexibilis Высокая доступность Бесшовное резервирование (HSR)
- Резервные сети Siemens для промышленности
- Пути миграции RuggedCom для сетей связи подстанций IEC 61850 к превосходному резервированию на основе гибридных топологий PRP и HSR
- NetModule PRP и протокол HSR для резервирования промышленных Ethernet
