Parallel Redundancy Protocol

PRP ist ein Protokoll zur Herstellung von Netzwerkredundanz, und ermöglicht eine unterbrechungsfreie Datenkommunikation ("Umschaltzeiten" von 0 ms).

Obwohl mit einem schnellen MRP Ring eine große Anzahl an Anforderungen abgedeckt wird, existieren dennoch Anwendungen, die keinerlei Umschaltzeit tolerieren können.

Logo PRP (Parallel Redundancy Protocol)

Für diese Anforderungen wird ein völlig neuer Ansatz gewählt, um Hochverfügbarkeit sicherzustellen. Dieser neue Ansatz der Netzwerkredundanz basiert auf zwei unabhängigen aktiven Pfaden zwischen zwei Geräten. Der Sender verwendet zwei unabhängige Netzwerkschnittstellen, die beide gleichzeitig dieselben Daten aussenden. Dabei stellt das Redundanzüberwachungsprotokoll 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) angewendet, das in dem Standard IEC 62439-3 beschrieben ist. 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.

 

PRP ist in den Endgeräten implementiert, während es sich bei den Switches in den Netzwerken um Standard Switches handelt, die PRP nicht kennen.

Ein Endgerät mit PRP Funktionalität wird als Double Attached Node for PRP (DAN P) bezeichnet und hat eine Verbindung zu jedem der beiden unabhängigen Netzwerke. Diese beiden Netzwerke können entweder identische Strukturen haben oder sich in ihrer Topologie und/oder Leistung unterscheiden. Ein Standardgerät mit einer einzelnen Netzwerkschnittstelle (Single Attached Node, SAN) kann direkt mit einem der beiden Netzwerke verbunden werden. In diesem Fall hat das Gerät natürlich keinen redundanten Pfad für den Fall eines Ausfalls zur Verfügung.

 

Alternativ kann ein SAN an eine Redundanzbox (RedBox) angeschlossen werden, die ein oder mehrere SANs mit beiden Netzwerken verbindet. SANs brauchen nichts von PRP zu wissen, sie können Standardgeräte sein. In vielen Anwendungen benötigen nur kritische Geräte eine doppelte Netzwerkschnittstelle, während weniger kritische Geräte als SANs angeschlossen werden, mit oder ohne Redundanzbox.

Detaillierte Bildbeschreibung Parallel Redundancy Protocol

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 Netzwerkschnittstelle.

Die Redundanzbox implementiert das PRP Protokoll für alle angeschlossenen SANs und fungiert somit als eine Art Redundanz Proxy für alle Arten von Standardgeräten. 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 der gesamte Protokollverkehr für SANs vollständig lesbar. SANs interpretieren 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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