Featured image of post PRP、HSR 與 FRER
Protocol

PRP、HSR 與 FRER

深入淺出：PRP、HSR 與 FRER —— 高可靠性網路技術全面解析

這篇文章由 AI 自動產生，尚在整理當中

在現代工業自動化、交通運輸、能源管理和其他關鍵任務系統中，高可靠性網路是實現穩定運行的基石。針對這些需求，平行冗餘協議(PRP)、高可用性無縫冗餘(HSR) 和 幀複製與消除技術(FRER) 成為不可或缺的技術工具。

這篇文章將探討這三種技術的核心機制、優勢、挑戰及應用場景。

PRP：Parallel Redundancy Protocol

PRP(Parallel Redundancy Protocol) 是專為容錯而設計的高可靠性協議，定義在 IEC 62439-3 標準當中。主要特點是在 Layer 2 的節點當中進行雙網平行資料傳輸 ，確保在任意網路故障的情況下通訊不會中斷。

PRP 的基本概念

  1. 雙網路冗餘：封包在兩個獨立網路(LAN A 和 LAN B)上同步發送。
  2. 自動故障隔離：接收端會選擇最先到達的封包並丟棄重複資料。
  3. 即時切換：在任何單網故障的情況下，通訊不需等待恢復或切換時間。

PRP 的架構

PRP 在 end nodes 中進行冗餘功能。每個 DAN 會利用兩個 LAN 進行傳輸，而且這兩個 LAN 不相交且並行運作。當單一介面節點必須連接到兩個網路 (LAN) 時，需使用冗餘盒 (RedBox) 進行資料交換。而 SAN (singly attached node) 則不需連接到兩個 LAN ，只需連接其中一個即可。

由於 RedBox 後面的節點會出現在其他節點(如 DAN)中，因此稱為虛擬 DAN (VDAN)。 RedBox 本身是一個 DAN，代表其 VDAN 的代理。

PRP

DAN

DAN 的放大圖及 LRE 在 node 當中的位置

每個 PRP Node 都有 2 個乙太網路的介面，稱為 DAN (doubly attached node)，其功能是將 LRE 一分為二後進行傳輸，以及接收資料後向上將資料回傳給 LRE 當中。

SAN

SAN (singly attached node) 則是只會連接兩個 LAN 當中的其中一個的節點。

LRE

LRE (link redundancy entity) 負責管理底下連接埠的資料傳輸功能。當上層協定發送幀時，LRE 複製此幀並同時透過其兩個連接埠發送；接收時節點的 LRE 會將第一個接收到的訊框轉發到其上層，並丟棄重複(比較後到達)的幀。

SAN 和 DAN 之間的通訊

SAN 可以連接到任何 LAN。連接到一個 LAN 的 SAN 無法直接與連接到另一個 LAN 的 SAN 通訊。

PRP 的優勢與限制

優勢：

  • 零恢復時間，確保通信不中斷。
  • 協議無關性，適用於多種高層協議(如 TCP/IP、Profinet)。
  • 適合雙網結構的簡單拓撲。

限制：

  • 硬體成本：需要雙網路接口和額外的網路基礎設施。
  • 頻寬消耗：同時傳輸兩份封包增加了網路負載。

應用場景

  • 工業自動化：實時控制和 PLC 系統。
  • 能源系統：變電站的 SCADA 通信。
  • 醫療設備：患者監控和生命支持系統。

HSR：高可用性無縫冗餘

HSR(High-Availability Seamless Redundancy) 與 PRP 一樣，定義於 IEC 62439-3 標準，但它採用環形網路拓撲，為節點提供更強的容錯能力。

HSR 的核心機制

  1. 環網資料轉發：封包在環網中雙向傳輸，每個節點接收資料後再轉發。
  2. 冗餘資料處理：接收端會消除重複資料，確保通信可靠。
  3. 即時恢復：環網結構使得單一節點故障時，資料仍能通過另一方向繼續傳輸。

優勢與挑戰

優勢：

  • 零恢復時間，無需等待故障修復。
  • 每個節點既是通信設備也是轉發設備，增加靈活性。

挑戰：

  • 拓撲限制：僅適用於環網結構。
  • 複雜性增加：節點數量增多時，管理和排障更加困難。

應用場景

  • 交通運輸：鐵路信號、航空管制。
  • 智慧城市：智能路燈和監控系統。
  • 能源管理：電網和可再生能源系統。

FRER：幀複製與消除技術

FRER(Frame Replication and Elimination for Reliability) 是由 IEEE 802.1CB 標準定義的技術，專注於資料的多路徑冗餘傳輸。與 PRP 和 HSR 不同，FRER 的設計更靈活，適用於複雜的網路拓撲。

FRER 的核心機制

  1. 資料複製與消除：在傳輸層上複製封包，通過多條路徑發送，接收端根據序列號消除重複資料。
  2. 與 TSN 集成：FRER 可與時間敏感網路(TSN)技術配合，實現更精確的延遲控制和可靠性。

優勢與挑戰

優勢：

  • 靈活性：不依賴於特定拓撲，適用於多種網路架構。
  • 可擴展性：可與其他 TSN 技術(如優先級調度)結合。
  • 低延遲：針對實時應用進行優化。

挑戰：

  • 實施門檻：需支持 IEEE 802.1 標準的硬件。
  • 封包管理複雜性：多路徑設計可能導致封包處理負擔增加。

應用場景

  • 車載通信：自動駕駛中的傳感器融合。
  • 智慧工廠：工業 4.0 的實時控制網路。
  • 音視頻同步：專業音頻和視頻傳輸系統。

PRP、HSR 與 FRER 的對比

特性PRPHSRFRER
標準IEC 62439-3IEC 62439-3IEEE 802.1CB
運作模式雙網平行冗餘環網冗餘多路徑冗餘
拓撲要求雙網路環網支持任意拓撲
恢復時間零恢復時間零恢復時間零恢復時間
適用場景工業、能源、醫療交通、能源、城市基建車載通信、智慧工廠、音視頻傳輸
可擴展性中等中等高

如何選擇適合的技術？

  1. 雙網冗餘場景：選擇 PRP，適用於簡單雙網結構的應用。
  2. 環網拓撲場景：選擇 HSR，適用於需要節點轉發的場景。
  3. 靈活多拓撲場景：選擇 FRER，特別是在與 TSN 集成的應用中。

總結

PRP、HSR 和 FRER 各有其適用範圍與特點，適合不同的高可靠性需求。PRP 和 HSR 在傳統工業和能源領域中具有穩定的應用，而 FRER 作為現代網路的代表，將在自動駕駛、智慧工廠和音視頻領域發揮越來越重要的作用。

隨著技術的進步，這些解決方案將繼續演進，為我們構建更安全、可靠的未來網路奠定基礎。

reference

  1. 什麼是 HSR/PRP?
  2. 甚麼是 HSR&PRP?FPGA 實現直通交換與存儲轉發的切換延遲
  3. Parallel Redundancy Protocol (PRP)
  4. Parallel Redundancy Protocol (PRP) - wireshark
  5. Chapter: High-Availability Seamless Redundancy (HSR)
  6. Borgohain, R., Roy, M. J., Choudhury, P. P., & Das, R. (2018, October). A brief introduction to high availability seamless redundancy (HSR) and some of its drawbacks: An insight into the functioning of HSR protocol. In 2018 3rd International Conference on Communication and Electronics Systems (ICCES) (pp. 523-527). IEEE.
Licensed under CC BY-NC-SA 4.0