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Parallel Redundancy Protocol (PRP)

Obwohl mit einem schnellen MRP Ring mittlerweile eine große Anzahl an Anforderungen abgedeckt wird, existieren dennoch Anwendungen, die keinerlei Umschaltzeit tolerieren können. Für diese Anforderungen wird ein völlig neuer Ansatz gewählt, um Hochverfügbarkeit sicherzustellen. Dieser völlig andere Ansatz der Netzwerkredundanz basiert auf zwei unabhängigen aktiven Pfaden zwischen zwei Geräten. Der Sender verwendet zwei unabhängige Netzschnittstellen, die beide gleichzeitig dieselben Daten aussenden. Hier stellt das Redundanz-Kontrollprotokoll sicher, dass der Empfänger nur das erste Datenpaket verwendet, und das zweite verwirft. Wenn nur ein Paket empfangen wird, weiß der Empfänger, dass auf dem anderen Pfad ein Ausfall aufgetreten ist. Dieses Prinzip wird von dem Parallel Redundancy Protocol (PRP) verwendet. Das PRP ist im Standard IEC 62439-3 beschrieben. PRP verwendet zwei unabhängige Netzwerke beliebiger Topologie und ist nicht auf Ringnetzwerke beschränkt. In den beiden voneinander unabhängigen parallelen Netzwerken werden jeweils MRP Ringe, RSTP Netze oder auch Netzwerke ohne jegliche Redundanz verwendet. Der große Vorteil von PRP ist die unterbrechungsfreie Umschaltung, die jegliche Umschaltzeit im Fehlerfall vermeidet und so die höchstmögliche Verfügbarkeit bietet. Dies gilt natürlich nur wenn nicht beide Netzwerke gleichzeitig Ausfälle zeigen.

Das PRP Protokoll ist in den Endgeräten implementiert, während die Switches in den Netzwerken Standard Switches sind, und nichts von PRP wissen. Ein Endgerät mit PRP Funktionalität wird Double Attached Node for PRP (DAN P) genannt und hat je eine Verbindung zu jedem der zwei unabhängigen Netzwerke. Diese beiden Netzwerke können entweder identische Strukturen haben, oder sie können sich in der Topologie oder Leistung unterscheiden.

Ein Standardgerät mit einer einzelnen Netzschnittstelle (Single Attached Node, SAN) kann an eines der beiden Netze direkt angeschlossen werden. In diesem Fall hat das Gerät natürlich keinen redundanten Pfad im Falle eines Ausfalls verfügbar. Oder ein SAN kann an eine so genannte Redundancy-Box (RedBox) angeschlossen werden, welche ein oder mehrere SANs an beide Netzwerke anschließt. SANs brauchen nichts von PRP zu wissen, sie können Standardgeräte sein. In vielen Anwendungen brauchen nur kritische Geräte eine doppelte Netzwerkschnittstelle, während weniger kritische Geräte als SAN, mit oder ohne den Gebrauch einer Redundancy-Box, angeschlossen werden.

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Netzwerk mit Parallel Redundancy Protocol


Eine DAN P Implementierung steuert die Redundanz und behandelt Duplikate. Wenn ein zu sendendes Paket von den oberen Schichten erhalten wird, sendet die PRP Einheit diesen Frame gleichzeitig über beide Ports auf das Netzwerk. Die beiden Frames durchlaufen die zwei unabhängigen Netzwerke normalerweise mit verschiedenen Verzögerungen bis zum Empfänger. Am Bestimmungsort leitet die PRP Einheit das erste ankommende Paket an die oberen Schichten, also die Anwendung weiter, und verwirft das zweite Paket. Die Schnittstelle zur Anwendung ist damit völlig identisch wie jede andere Ethernet Netzwerk Schnittstelle auch.

Die Redundancy-Box implementiert das PRP Protokoll für alle angeschlossenen SANs und arbeitet damit als eine Art von Redundanz Proxy für jede Art von Standard Geräten. Die Erkennung von Duplikaten erfolgt mit Hilfe eines durch eine PRP Anschaltung oder RedBox in jedes Frame eingefügten Redundancy Control Trailers (RCT). Dieses 32 Bit lange Identifikationsfeld beinhaltet neben einer Kennung für das Netzwerk (LAN A oder B) und einer Information über die Länge der Nutzlast des Frames auch eine Sequenznummer. Diese wird für jedes Frame, das ein Knoten versendet, inkrementiert. Anhand der somit eindeutigen Merkmale in jedem Frame (Physikalische MACQuelladresse und Sequenznummer) kann eine RedBox oder DAN P Anschaltung Duplikate erkennen und, wenn notwendig, verwerfen. Da der RCT am Ende des Frames eingefügt wird, bleibt sämtlicher Protokollverkehr für SANs vollständig lesbar. Ein SAN interpretiert den RCT lediglich als zusätzlich eingefügte Füllbits („Padding“) ohne Bedeutung. Eine direkt ohne RedBox angeschlossene SAN kann somit in einem PRP Netzwerk mit allen DAN Ps und mit SANs des gleichen Netzwerks (entweder A oder B) kommunizieren. Lediglich zu den Knoten des jeweils anderen Netzwerks hat eine SAN keine Verbindung, da ein DAN P Frames eines LAN nicht an das andere weitergeben. Das PRP erfüllt höchste Ansprüche an Umschaltzeit, ist sehr flexibel im Netzaufbau und in den möglichen Topologien, benötigt allerdings stets eine doppelt installierte Infrastruktur aus Switchen und anderen Netzkomponenten.

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Mit den RSP Switches von Hirschmann™, die neue Redundanzverfahren (PRP, HSR*) nach IEC-Standard unterstützen, können erstmals Netzwerke mit einer unterbrechungsfreien Datenkommunikation realisiert werden.


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Highlights

Mit den neuen Protokollen PRP (Parallel Redundancy Protocol) und HSR (High-availability Seamless Redundancy) sind zwei Redundanzverfahren entwickelt worden, die die Verfügbarkeit und Fehlerabsicherung von Netzwerkverbindungen deutlich verbessern.

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