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相關解決方案，使各位讀者能夠具體了解HSR/PRP的實際應用。

近年來，列車、工控甚至互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)對網(wǎng)絡可靠性傳輸?shù)男枨蟛粩嗵嵘又斀竦木W(wǎng)絡拓撲也越來越復雜，亟需一項兼容性好、易于使用的冗余協(xié)議。如此背景使得HSR/PRP這兩項發(fā)布已久，并在電力行業(yè)已經(jīng)得到廣泛使用、驗證的冗余協(xié)議，再次出現(xiàn)在人們的視野之中。

01

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），其所屬的國際標準為IEC 62439，這是一個專注于解決高可靠性自動化網(wǎng)絡傳輸?shù)臉藴剩灿?個部分，分別描述在鏈路層實現(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年標準發(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去的。最初，IEC發(fā)布此項標準主要目的是為了滿足IEC 61850-5中所提到的變電站自動化應用中各通信組件或服務故障所要求的恢復時間問題，但協(xié)議設計時的通用性，使得這兩項協(xié)議能不僅僅適用于變電站的應用場景下，而是成為一項工業(yè)網(wǎng)絡中的通用解決方案。

02

什么是PRP冗余機制？

HSR/PRP協(xié)議分別提供獨特的冗余機制進行網(wǎng)絡鏈路的冗余備份，簡要的機制介紹如下：

名詞概念

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

DANP：Doubly Attached Node implementing PRP，PRP的雙端口節(jié)點，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，由原始信息幀擴展而來

PRP冗余機制的實現(xiàn)，主要依托于兩個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）復制一份，并在兩份幀中添加一特定字段（RCT，下面會提到這個），形成PRP信息幀（A Frame、B Frame），分別從自身的兩個端口發(fā)送出去（分別對應A網(wǎng)、B網(wǎng)），分別途徑兩個獨立的子網(wǎng)到達同一個PRP接收方（Destination DANP）；PRP接收方從兩個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行處理，簡而言之，就是依據(jù)“先來后到”的原則，將后到達的PRP信息幀消除，僅保留一份先到達的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？請看下圖：

DANP內(nèi)部原理圖（一）

DANP內(nèi)部原理圖（二）這是DANP節(jié)點的簡要示意圖，主要分為上層（鏈路層以上）、LRE（Link Redundancy Entity，鏈路層冗余實體）子層、下層（鏈路層及物理層）。可以看到PRP設備的內(nèi)部實現(xiàn)只是在標準以太網(wǎng)設備的MAC層中增添了一個LRE子層，這個子層內(nèi)部實現(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上，增加了一個RCT（Redundancy Control Trailer，冗余控制體）字段，并針對這個字段進行一系列的處理，基于802.3標準以太網(wǎng)的PRP幀格式如下圖所示：802.3 PRP幀格式

RCT字段由6個字節(jié)組成，內(nèi)部又會細分為不同的位域，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，僅有兩個值可選，0xa、0xb，代表A、B兩個子網(wǎng)

PRP Suffix：16位PRP信息幀后綴，固定為0x88fb

LRE所實現(xiàn)的總體功能，就如先前所提到的：發(fā)送方向，將原始幀復制一份，打上A、B兩個子網(wǎng)的RCT字段，向兩個端口分別發(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用程序。而LRE子層內(nèi)部的具體實現(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）時的一些抓包情況，詳細測試環(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

可以在A網(wǎng)SAN節(jié)點中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，也對應了RCT中的各個位域：00 04：幀序列號a：LAN ID，指示這是A網(wǎng)0 5a：即十進制的90，即RCT+Payload段的長度，104減去以太網(wǎng)幀的14個字節(jié)的源MAC、目的MAC、幀類型（不包含前導碼和FCS）88 fb：PRP幀后綴

另一邊B網(wǎng)中的SAN節(jié)點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：即十進制的90，即RCT+Payload段的長度，104減去以太網(wǎng)幀的14個字節(jié)的源MAC、目的MAC、幀類型（不包含前導碼和FCS）88 fb：PRP幀后綴

最后對PRP做一個簡要的特點總結(jié)：

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

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

3、在任何網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中均可使用

4、支持實時應用場景的數(shù)據(jù)傳輸

5、需要搭建兩個物理或邏輯獨立的子網(wǎng)

03

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、交換機等等。關鍵特性如下：

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管理機制3、支持自定義的基于源、目的MAC的報文幀過濾，支持最高4Kbytes的巨型幀4、實現(xiàn)HSR/PRP冗余協(xié)議，HSR模式下支持HSR-SAN、HSR-PRP、HSR-HSR三種運行模式5、支持1588v2混合時鐘（僅從站）、IRIG-B主時鐘的同步方式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)計用寄存器的手段7、支持Xilinx旗下多個系列、多個型號的FPGA，如6系列的Spartan、Virtex，7系列的Zynq，Spartan， Artix， Kintex， Virtex等

RELY-RB+2多口HSR/PRP交換機——正面接口產(chǎn)品介紹1、產(chǎn)品已經(jīng)推出6年，成熟可靠，并已廣泛應用于歐洲各個行業(yè)，構(gòu)建高可靠性的工業(yè)網(wǎng)絡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個交換機管理接口、2個interlink端口、2個HSR/PRP冗余端口；另有RELY-RB+2的可選型號，可提供高達“1+7+2”的端口配置

04

應用案例

在以太網(wǎng)技術(shù)和IP技術(shù)廣泛應用的現(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，由以太網(wǎng)/IP方案、高級應用軟件以及通用服務器所替代。但基于以太網(wǎng)/IP的新型的設備與網(wǎng)絡架構(gòu)也面臨著新的問題：如何實現(xiàn)零延時的故障恢復，以在故障發(fā)生時保持所有站點間內(nèi)容的緊密同步？SMPTE 2022-7冗余網(wǎng)絡場景——實際上與PRP的相同

RTP協(xié)議所處的位置——傳輸層傳統(tǒng)音視頻網(wǎng)絡的冗余采用的是SMPTE2022-7這個基于RTP（Real-timeTransport Protocol）協(xié)議的冗余標準：與PRP冗余網(wǎng)絡的場景相同，也是兩個子網(wǎng)，發(fā)送方在RTP報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報頭中的特定信息，但是此標準在AoIP網(wǎng)絡中很明顯地會出現(xiàn)“水土不服”——RTP是一個建立在UDP協(xié)議之上的傳輸層的子層，意味著相當多不基于UDP的報文（如HTTPS、SSH等等）無法通過這項標準進行冗余傳輸。

而PRP正是此困境的解決方案，純二層實現(xiàn)使得更上層的協(xié)議能夠順利的基于PRP進行冗余傳輸，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公司提供PRP冗余方案的實現(xiàn)，以下為網(wǎng)絡的拓撲圖：

應用案例——音視頻廣播行業(yè)網(wǎng)絡中，曾經(jīng)的HEADEND如今由數(shù)種肩負不同功能的設備組成，包括AoIP網(wǎng)關、配置服務器、音視頻流服務器等等。這些設備通過使用RELY-PCIe或RELY-RB，接入兩個獨立的子網(wǎng)之中，構(gòu)建了可靠的冗余傳輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)了傳統(tǒng)音視頻廣播行業(yè)網(wǎng)絡升級的最后一步。

責任編輯：haq