朝花夕拾:HSR/PRP冗余协议(一)
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发布时间：2024-10-01 14:54
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时间：2024-12-03 16:24
什么是HSR/PRP？HSR/PRP全称分别为High-availability Seamless Rendancy（高可靠性无缝冗余）与Parallel Rendancy 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 62439-3。
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，每次修订都会修订或添加新的内容。从中可以看到，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发布此项标准的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，使得这两项协议不仅适用于变电站的应用场景，而且成为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：SAN（Singly Attached Node，单端口节点），DANP（Doubly Attached Node implementing PRP，PRP的双端口节点），RedBox（冗余盒），C Frame（原始信息帧），A Frame、B Frame（附带特定字段的PRP信息帧）。
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）。PRP发送方将原始信息帧复制一份，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，分别从自身的两个端口发送出去，分别途径两个独立的子网到达同一个PRP接收方。
这是DANP节点的简要示意图，主要分为上层（链路层以上）、LRE（Link Rendancy 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。
下面是笔者测试SoC-e MEZU开发板时的一些抓包情况，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。
最后对PRP做一个简要的特点总结：数据热交换，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。
虹科与西班牙合作伙伴SoC-e/RELYUM给国内的客户带来了有关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 Rendant 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：HPS IP核集成10/100/1000多速率MAC，提供QoS管理机制，支持自定义的基于源、目的MAC的报文帧过滤，实现HSR/PRP冗余协议，支持1588v2混合时钟；RELY-RB HSR/PRP交换机成熟可靠，支持丰富的网管、同步、冗余等协议，嵌入式的网页管理器，提供“1+2+2”的以太网端口配置。
在以太网技术和IP技术广泛应用的现在，传统的音视频广播行业也完成了向AoIP（Audio over IP）的转型。但基于以太网/IP的新型的设备与网络架构也面临着新的问题：如何实现零延时的故障切换，以在故障发生时保持所有站点间内容的紧密同步？而PRP正是此困境的解决方案，纯二层实现使得更上层的协议能够顺利的基于PRP进行冗余传输。
