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PRP und HSR Protokolle für Redundantes Industrielles Ethernet

IEC62439/meta meta - PRP und HSR Protokolle für Redundantes Industrielles Ethernet

Der IEC62439 Standard beschreibt Methoden zur verlustlosen, redundanten Übertragung von Daten über Ethernet Netzwerke. Dies ist eine Grundvoraussetzung für zeit- und sicherheitskritische Anwendungen.

Heutzutage ist Ethernet das beherrschende Kommunikationsprotokoll im Büroumfeld, im Datacenter und in der Automation für die Kommunikation zwischen Steuerungen und Leitsystemen.Mit dem Einsatz des selben Protokolls für die Kommunikation zwischen den Steuerungen und den Sensoren / Aktoren im Feld resultiert eine vertikale Integration der Feldkommunikation mit dem Produktionsleitsystem.

Aus dieser Erweiterung des Einsatgebietes von Ethernet für typischerweise fehlertolerante Netze mit hoher Verfügbarkeit und kurzen Reaktionszeiten ergeben sich für viele Echtzeit Systeme wie Robotersteuerungen, synchronisierte Antriebe und Schaltanlagen-Automationssysteme Reaktionszeiten im Millisekunden Bereich. Zusätzlich erlaubt Ethernet wegen des eingesetzten Broadcast-Verfahrens keine mehrfachen Verbindungen und schliesst somit redundante Kommunikationswege aus.

Die IEC62439-3 Standards bieten eine Lösung für diese Probleme. Das Parallel Redundancy Protocol (PRP) und das High availability Seamless Redundancy (HSR) Protocol eignen sich für Anwendungen welche höchste Verfügbarkeit und tiefe Latenzzeiten voraussetzen. PRP und HSR kommen im SCADA Umfeld immer häufiger zum Einsatz weil beide Protokolle ein „Fail-over“ ohne Paketverlust garantieren. Dies bedeutet, dass im Falle eines einzelnen Netzwerkfehlers kein einziges Paket verloren geht. Damit bieten PRP und HSR klare Vorteile gegenüber anderen Redundanz-Lösungen, welche eine „Fail-over“ Zeit von einigen 100ms benötigen wie z.B. RSTP, MRP (IEC62439-2) oder HIPER-Ring.

Der Redundanzmechanismus ist bei IEC62439-3 auf dem Layer 2 angesiedelt. Für Protokolle auf höheren Ebenen - wie z.B. industrielle Ethernet Protokolle - ist die Redundanzlösung somit vollkommen transparent.

Ein gutes Beispiel für den zunehmenden Einsatz von Ethernet in sicherheitsrelevanten Bereichen ist die Schaltanlagen-Automatisierung (Substation Automation): Der IEC 61850 Standard regelt die Kommunikation in Schaltanlagen und basiert auf Ethernet als Kerntechnologie. Für die Netzwerkredundanz wird in diesem Standard auf PRP und HSR verwiesen. IEC 61850 findet dank der grossen Flexibilität, der Kosteneffizienz und der hohen Leistungsfähigkeit grosse Beachtung. Deshalb haben die Energieversorger weltweit damit begonnen, teure, proprietäre Technologie mit Ethernet zu ersetzen.

Properties of high-availability technologies

Software Lösungen für PRP können auf jeder Plattfrom mit Standard-Betriebssystem wie Windows und Linux oder mit einem dedizierten RTOS wie VxWorks installiert werden. Der erreichbare Datendurchsatz ist für die meisten Fast Ethernet Anwendungen vollkommen ausreichend.
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Für sehr zeitkritische Anwendungen kann die Redundanzschicht mit FPGA Technologie realisiert werden. Damit schöpft man auch bei GBit Ethernet die maximale Datenrate (wire-speed) aus und beim HSR Protokoll sind kürzeste "Cut-Through" Verzögerungen realisierbar. Das Precision Time Protocol (PTP version2) erlaubt zusätzlich eine robuste Synchronisation verschiedener Geräte im Sub-Mikrosekunden Bereich.

Parallel Redundancy Protocol (PRP), IEC62439-3 clause 4
Geräte mit kritischer Funktionalität - Double Attached Nodes (DANs) – werden via zwei unabhängige Netzwerkanschlüsse an zwei unabhängige Netzwerke (LAN A und LAN B) angeschlossen. Beim Aufbau der beiden Netzwerke kommen Standard Netzwerkkomponenten zum Einsatz (Switches, Ethernet NICs).

Ein DAN sendet Pakete auf beiden Netzwerkanschlüssen. Der Empfänger empfängt alle Pakete doppelt (d.h. auf beiden Anschlüssen). Der Redundanzalgorithmus verwirft nun die empfangenen Duplikate.

Das Protokoll unterstützt auch sogenannte Single Attached Nodes (SANs) in einem PRP Netzwerk. Diese sind nur an ein LAN angeschlossen und profitieren nicht von der Netzwerkredundanz.

Eine Redundanz Box (RedBox) wird eingesetzt um ein oder mehrere konventionelle Geräte (d.h. mit nur einem Ethernet Interface) an beide LANs eines PRP Netzes anzubinden. Knoten hinter der RedBox sind virtuell an beide Netze angeschlossen und heissen darum Virtual Dual Attached Node (VDAN).
 

IEC62439 PRP

PRP bietet Redundanz auf Schicht 2 des OSI Modells. Beide Netzwerkanschlüsse teilen dieselbe MAC und IP Adresse. Dadurch ist der Redundanzmechanismus vollkommen transparent für Protokolle höherer Schichten und somit für die Anwendungen. Erfahren Sie mehr über HPRP/HSR Anwendungen > 

High availability Seamless Redundancy (HSR), IEC62439-3 clause 5
Jeder Knoten im Netzwerk weist zwei Schnittstellen auf und wird direkt in das Netz mit Ring-Topologie eingefügt. Pakete werden auf beiden Schnittstellen gesendet und so im Ring in beide Richtungen gleichzeitig übertragen. Zwischenknoten leiten Pakete im Ring weiter. Der Empfänger entfernt Unicast-Frames vom Ring, der Sender Multi-Cast und Broad-Cast Frames. Im Normalfall empfängt der Empfänger zwei Kopien eines Frames. Die erste Kopie wird verwendet, die zweite wird verworfen.

Die Zeit, welche jeder Zwischenknoten zum weiterleiten des Frames benötigt, muss möglichst tief gehalten werden, da sich einzelne Transferzeiten aufsummieren. Dies wird am besten mit einer Frame-Verarbeitung in Hardware umgesetzt (Cut-Through). HSR ist hierfür gut geeignet da die Struktur des Frames für eine Verarbeitung in Hardware ausgelegt ist.

Zwei HSR-Ringe können mit einer QuadBox gekoppelt werden. Für eine redundante Kopplung werden zwei QuadBoxen eingesetzt. PRP Netze und HSR-Ringe können mittels einer RedBox gekoppelt werden.

IEC62439 HSR

Die Ring-Topologie von HSR bietet einige Vorteile:

  • Alle Knoten sind am Weiterleiten der Pakete beteiligt. Zusätzliche Netzwerkkomponenten wie Switches entfallen.
  • Kann überall eingesetzt werden, wo eine Ring-Topologie der Verkabelung vorgegeben ist (z.B. im Infrastruktur-Bereich)

HSR bietet Redundanz auf Schicht 2 des OSI Modells und ist vollkommen transparent für Protokolle höherer Schichten und somit für Anwendungen. HSR kann daher als Redundanz-Mechanismus für andere Industrielle Ethernet Protokolle, welche selbst keine Redundanzlösung bieten, eingesetzt werden. Dazu gehören nebst anderen EtherNet/IP und ModBus/TCP.



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