一文詳解HSR/PRP冗余協(xié)議

引 言

本文將簡要介紹HSR/PRP協(xié)議本身的一些概念，和PRP協(xié)議的主要機(jī)制，并通過展示虹科與西班牙的合作伙伴SoC-e/RELYUM提供的HSR/PRP相關(guān)解決方案，使各位讀者能夠具體了解HSR/PRP的實(shí)際應(yīng)用。

近年來，列車、工控甚至互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)對網(wǎng)絡(luò)可靠性傳輸?shù)男枨蟛粩嗵嵘?，加之?dāng)今的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟苍絹碓綇?fù)雜，亟需一項(xiàng)兼容性好、易于使用的冗余協(xié)議。如此背景使得HSR/PRP這兩項(xiàng)發(fā)布已久，并在電力行業(yè)已經(jīng)得到廣泛使用、驗(yàn)證的冗余協(xié)議，再次出現(xiàn)在人們的視野之中。

什么是HSP/PRP？

HSR/PRP全稱分別為High-availability Seamless Redundancy（高可靠性無縫冗余）與Parallel Redundancy Protocol（并行冗余協(xié)議），其所屬的國際標(biāo)準(zhǔn)為IEC 62439，這是一個(gè)專注于解決高可靠性自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，共有7個(gè)部分，分別描述在鏈路層實(shí)現(xiàn)冗余的多種方法：

IEC 62439-1:2010

而HSR/PRP協(xié)議位于其中的第3部分，即IEC 62439-3。

IEC官方協(xié)議的鏈接如下：https://webstore.iec.ch/publication/24438

自2008年標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來，IEC 62439-3也經(jīng)過了2010年、2012年、2016年的三次修訂，每次修訂均會修訂或添加不少新的內(nèi)容：

IEC 62439-3 各版本修訂內(nèi)容

從中也可以看到實(shí)際上2008年第一版的協(xié)議中只有PRP協(xié)議，HSR協(xié)議是在2010年的第二版中才添加進(jìn)去的。

最初，IEC發(fā)布此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)主要目的是為了滿足IEC 61850-5中所提到的變電站自動(dòng)化應(yīng)用中各通信組件或服務(wù)故障所要求的恢復(fù)時(shí)間問題，但協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)的通用性，使得這兩項(xiàng)協(xié)議能不僅僅適用于變電站的應(yīng)用場景下，而是成為一項(xiàng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的通用解決方案。

什么是PRP冗余機(jī)制？

HSR/PRP協(xié)議分別提供獨(dú)特的冗余機(jī)制進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)鏈路的冗余備份，簡要的機(jī)制介紹如下：

名詞概念

SAN：Singly Attached Node，單端口節(jié)點(diǎn)，不實(shí)現(xiàn)PRP功能

DANP：Doubly Attached Node implementing PRP，PRP的雙端口節(jié)點(diǎn)，可直接發(fā)送PRP流量

RedBox：Redundancy Box，冗余盒，將SAN傳入的流量轉(zhuǎn)換成PRP流量發(fā)送出去

C Frame：原始信息幀，指代用戶想要冗余備份的信息

A Frame、B Frame：附帶特定字段的PRP信息幀，由原始信息幀擴(kuò)展而來

PRP冗余機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，主要依托于兩個(gè)邏輯或物理分隔的子網(wǎng)（LAN A，LAN B，即所謂的A網(wǎng)、B網(wǎng)），以上圖中的信息傳輸為例：PRP發(fā)送方（Source DANP）將原始信息幀（C Frame）復(fù)制一份，并在兩份幀中添加一特定字段（RCT，下面會提到這個(gè)），形成PRP信息幀（A Frame、B Frame），分別從自身的兩個(gè)端口發(fā)送出去（分別對應(yīng)A網(wǎng)、B網(wǎng)），分別途徑兩個(gè)獨(dú)立的子網(wǎng)到達(dá)同一個(gè)PRP接收方（Destination DANP）；PRP接收方從兩個(gè)端口分別接收到這兩份PRP信息幀后，會經(jīng)過一系列的幀處理算法進(jìn)行處理，簡而言之，就是依據(jù)“先來后到”的原則，將后到達(dá)的PRP信息幀消除，僅保留一份先到達(dá)的PRP信息幀，將特定字段消除后，還原成原來的原始信息，傳遞給上層。

那么問題來了，“A幀”和“B幀”是如何產(chǎn)生和消除的？具體的幀組成又是怎樣的呢？

這是DANP節(jié)點(diǎn)的簡要示意圖，主要分為上層（鏈路層以上）、LRE（Link Redundancy Entity，鏈路層冗余實(shí)體）子層、下層（鏈路層及物理層）?？梢钥吹絇RP設(shè)備的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)只是在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備的MAC層中增添了一個(gè)LRE子層，這個(gè)子層內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了PRP信息幀的產(chǎn)生和消除算法。具體而言，就是在原始信息幀的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)RCT（Redundancy Control Trailer，冗余控制體）字段，并針對這個(gè)字段進(jìn)行一系列的處理，基于802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的PRP幀格式如下圖所示：

802.3 PRP幀格式

RCT字段由6個(gè)字節(jié)組成，內(nèi)部又會細(xì)分為不同的位域，指代不同的含義，簡要介紹如下：

簡要介紹

Sequence Number： 16位幀序列號，LRE對同一原始信息幀復(fù)制而來的PRP幀賦予相同的序列號，并會隨PRP幀的發(fā)送而遞增序列號的值

LSDU size：12位載荷大小，標(biāo)識Payload字段+RCT字段的總字節(jié)大小

Lan Id：4位子網(wǎng)ID，僅有兩個(gè)值可選，0xa、0xb，代表A、B兩個(gè)子網(wǎng)

PRP Suffix：16位PRP信息幀后綴，固定為0x88fb

LRE所實(shí)現(xiàn)的總體功能，就如先前所提到的：發(fā)送方向，將原始幀復(fù)制一份，打上A、B兩個(gè)子網(wǎng)的RCT字段，向兩個(gè)端口分別發(fā)送；接收方向，則是根據(jù)源MAC、RCT中的幀序列號識別某一PRP幀，后依據(jù)“先來后到”的原則，僅保留一份PRP信息幀，褪去RCT字段后傳輸給上層應(yīng)用程序。而LRE子層內(nèi)部的具體實(shí)現(xiàn)，有興趣的讀者可以自行移步IEC官網(wǎng)了解。

下面是筆者測試SoC-eMEZU開發(fā)板（已搭載SoC-e PRP IP核，用作Redbox）時(shí)的一些抓包情況，詳細(xì)測試環(huán)境此處省略，僅供各位讀者參考PRP抓包的一些信息：

SoC-e MEZU開發(fā)板，已搭載SoC-e PRP IP核

抓包情況——A網(wǎng)的SAN節(jié)點(diǎn)

可以在A網(wǎng)SAN節(jié)點(diǎn)中wireshark的抓包情況中看到，MEZU開發(fā)板轉(zhuǎn)發(fā)ping幀的末尾中已經(jīng)附帶了6字節(jié)的RCT字段，也對應(yīng)了RCT中的各個(gè)位域：

00 04：幀序列號

a：LAN ID，指示這是A網(wǎng)

0 5a：即十進(jìn)制的90，即RCT+Payload段的長度，104減去以太網(wǎng)幀的14個(gè)字節(jié)的源MAC、目的MAC、幀類型（不包含前導(dǎo)碼和FCS）

88 fb：PRP幀后綴

另一邊B網(wǎng)中的SAN節(jié)點(diǎn)的抓包情況也大同小異，只是LAN ID字段有所不同：

00 04：幀序列號

b：LAN ID，指示這是B網(wǎng)

0 5a：即十進(jìn)制的90，即RCT+Payload段的長度，104減去以太網(wǎng)幀的14個(gè)字節(jié)的源MAC、目的MAC、幀類型（不包含前導(dǎo)碼和FCS）

88 fb：PRP幀后綴

最后對PRP做一個(gè)簡要的特點(diǎn)總結(jié)：

1、數(shù)據(jù)熱交換，某個(gè)子網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，零恢復(fù)延時(shí)，不丟數(shù)據(jù)

2、純二層的實(shí)現(xiàn)，可用于現(xiàn)有的任何工業(yè)以太網(wǎng)中，對應(yīng)用層的程序透明

3、在任何網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中均可使用

4、支持實(shí)時(shí)應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)傳輸

5、需要搭建兩個(gè)物理或邏輯獨(dú)立的子網(wǎng)

虹科HSP/PRP解決方案

虹科與西班牙合作伙伴SoC-e/RELYUM給國內(nèi)的客戶帶來了有關(guān)于HSR/PRP的多種解決方案，包括面向OEM廠商的基于FPGA的HPS（HSR/PRPSwitch）、MRS（Managed RedundantSwitch）IP核，面向工業(yè)終端用戶的成品HSR/PRP板卡、交換機(jī)等等。關(guān)鍵特性如下：

HPS IP核：

產(chǎn)品介紹

1、集成10/100/1000多速率MAC，可提供（R）（G）MII接口與PHY芯片對接

2、提供基于輸入端口、VLANPCP（802.1Q）、DSCP TOS（IPv4/IPv6）等方式的QoS管理機(jī)制

3、支持自定義的基于源、目的MAC的報(bào)文幀過濾，支持最高4Kbytes的巨型幀

4、實(shí)現(xiàn)HSR/PRP冗余協(xié)議，HSR模式下支持HSR-SAN、HSR-PRP、HSR-HSR三種運(yùn)行模式

5、支持1588v2混合時(shí)鐘（僅從站）、IRIG-B主時(shí)鐘的同步方式

6、向外部提供AXI4-Lite、UART、MDIO、CoE（Configurationover Ethernet）這四種配置IP內(nèi)部的控制/統(tǒng)計(jì)用寄存器的手段

7、支持Xilinx旗下多個(gè)系列、多個(gè)型號的FPGA，如6系列的Spartan、Virtex，7系列的Zynq，Spartan， Artix， Kintex， Virtex等

RELY-RB HSR/PRP交換機(jī)：

RELY-RB——整體視圖

RELY-RB——正面接口

RELY-RB——背面接口

RELY-RB+2多口HSR/PRP交換機(jī)——正面接口

產(chǎn)品介紹

1、產(chǎn)品已經(jīng)推出6年，成熟可靠，并已廣泛應(yīng)用于歐洲各個(gè)行業(yè)，構(gòu)建高可靠性的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

2、支持豐富的網(wǎng)管、同步、冗余等協(xié)議，如802.1Q、HSR/PRP、RSTP、SNMP、IEEE 1588v2、NTP.。。

3、嵌入式的網(wǎng)頁管理器，不需要安裝額外的配置軟件，配置界面簡潔、友好

4、“1+2+2”的以太網(wǎng)端口配置，提供1個(gè)交換機(jī)管理接口、2個(gè)interlink端口、2個(gè)HSR/PRP冗余端口；另有RELY-RB+2的可選型號，可提供高達(dá)“1+7+2”的端口配置

應(yīng)用案例

在以太網(wǎng)技術(shù)和IP技術(shù)廣泛應(yīng)用的現(xiàn)在，傳統(tǒng)的音視頻廣播行業(yè)也完成了向AoIP（Audio over IP）的轉(zhuǎn)型，將以往需要專用硬件（HEADEND）和專用電纜所架構(gòu)的音視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)，由以太網(wǎng)/IP方案、高級應(yīng)用軟件以及通用服務(wù)器所替代。

但基于以太網(wǎng)/IP的新型的設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也面臨著新的問題：如何實(shí)現(xiàn)零延時(shí)的故障恢復(fù)，以在故障發(fā)生時(shí)保持所有站點(diǎn)間內(nèi)容的緊密同步？

SMPTE 2022-7冗余網(wǎng)絡(luò)場景——實(shí)際上與PRP的相同

RTP協(xié)議所處的位置——傳輸層

傳統(tǒng)音視頻網(wǎng)絡(luò)的冗余采用的是SMPTE2022-7這個(gè)基于RTP（Real-timeTransport Protocol）協(xié)議的冗余標(biāo)準(zhǔn)：與PRP冗余網(wǎng)絡(luò)的場景相同，也是兩個(gè)子網(wǎng)，發(fā)送方在RTP報(bào)頭中插入了序列號等信息（類似于PRP協(xié)議的RCT字段），接收方可以地通過識別RTP報(bào)頭中的特定信息，但是此標(biāo)準(zhǔn)在AoIP網(wǎng)絡(luò)中很明顯地會出現(xiàn)“水土不服”——RTP是一個(gè)建立在UDP協(xié)議之上的傳輸層的子層，意味著相當(dāng)多不基于UDP的報(bào)文（如HTTPS、SSH等等）無法通過這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行冗余傳輸。

而PRP正是此困境的解決方案，純二層實(shí)現(xiàn)使得更上層的協(xié)議能夠順利的基于PRP進(jìn)行冗余傳輸，而RELY基于自家的RELY-PCIe、RELY-RB產(chǎn)品為歐洲一家老牌的音視頻廣播服務(wù)公司提供PRP冗余方案的實(shí)現(xiàn)，以下為網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D：

應(yīng)用案例——音視頻廣播行業(yè)

網(wǎng)絡(luò)中，曾經(jīng)的HEADEND如今由數(shù)種肩負(fù)不同功能的設(shè)備組成，包括AoIP網(wǎng)關(guān)、配置服務(wù)器、音視頻流服務(wù)器等等。這些設(shè)備通過使用RELY-PCIe或RELY-RB，接入兩個(gè)獨(dú)立的子網(wǎng)之中，構(gòu)建了可靠的冗余傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)音視頻廣播行業(yè)網(wǎng)絡(luò)升級的最后一步。

責(zé)任編輯：tzh