作者：清風流云

背景：
無論是工業(yè)4.0還是工業(yè)IOT（IIOT）系統都依賴于強健的通信網絡，而HSR和PRP協議正是用來保證在關鍵基礎設施上網絡的可用性的，主要是因為這兩種協議的應用可以在網絡服務失敗時保證0延遲的恢復時間。而可靠的以太網必然是可以接收很多工業(yè)自動化應用的，這種演變比較有說明力的一個例子就是國際電子技術委員會為了實現電力變電站的自動化（IEC 62439-3 條款4和5）而采用HSR以太網協議和PRP 協議，這兩個協議都提供零切換延遲時間，一邊保證不會使傳輸幀在網絡失敗或強大的對網絡監(jiān)管層下丟失。此外，這兩個協議都支持IEEE 1588同步冗余路徑。

SoC-e IP 與HSR/PRP協議 for IIoT APP：
近期，Avnet網站上出現了一篇題為“Zero Downtime industrial IoT Using Programmables SoCs”的新文章，這篇文章討論了一個基于Xilinx Zynq-7000 SoC （SoC可以為其提供靈活的解決方案）實現的SoC-e的IP設計，而這個IP可以連接到HSR（High-availability Seamless Redundancy）環(huán)型網絡和PRP parallel Redundancy Protocol）LAN（局域網），同時，這個IP也可以在IEC 61850語境中作為一個網絡橋來使用。最后，這篇文章還討論了一個基于此IP的設計Demo，這個demo就是Avnet基于Zynq開發(fā)的MicroZed 工業(yè)4.0以太網kit(MicroZed I4EK)。

在文章的第一部分作者詳細闡述了HSR和PRP協議的主要內容：PRP是在網絡節(jié)點而不是在網絡中上實現的，PRP節(jié)點有兩個以太網端口，這兩個端口都被稱為DANs（Dual attached Nodes），而每一個DAN以太網端口都可以連接到兩個獨立的以太網網絡（LAN A和LAN B）之一上，這樣就可以實現一個雙冗余的網絡拓撲結構，然后DANs可以通過兩個網絡發(fā)送相同的幀。不同于PRP協議，HSR冗余則需要依賴于通過一個環(huán)形網絡的兩個方向發(fā)送包文件來實現。

圖1：PRP冗余協議

下圖是文章中展示出的一個HSR環(huán)形網絡拓撲結構方框圖：

圖2：HSP Example of ring configuration for Multicast Traffic

不過，如PRP一樣，每一個HSR網絡節(jié)點也有兩個以太網端口，并作為一個HSR的雙重附加節(jié)點連接到網絡中。在HSR 環(huán)形網絡中，數據包需要向兩個方向的節(jié)點傳輸，所以，當數據包連續(xù)傳輸到所有目的地時，一旦在網絡的任何地方發(fā)生單斷裂，都可以被探測到。方框圖中的紅盒子是一個常規(guī)的缺乏DANN網絡連通性的以太網設備而配置的DANN適配器（對于只有一個以太網端口的設備，PRP協議也支持紅盒子思想）。

所以，IIoT工業(yè)系統中往往會同時實現HSR和PRP協議，以便可以增加網絡協調的可靠性和安全性（所有這些特點在IIoT網絡系統中都已明確表明）。

在文章剩余部分主要描述SoC-e的HSR.PRP轉換IP，這個IP是基于Avnet 的MicroZed SOM上的ZynqSoC芯片中的可編程部分實現的，當然，MicroZed SOM也是Avnet MicroZed I4EK的一部分。

總結：
關于以太網的實現往往比較復雜，對可靠傳輸的要求也比較高，但是為了保證可靠傳輸采取的策略也比較廣泛，而上文中提到的這篇文章中，通過FPGA來實現保證以太網可靠傳輸的兩個協議，并將其封裝為一個IP的形式，確實可以將FPGA的優(yōu)勢應用的網絡連接應用中，雙方互利，不失為一種更好的實現方式。