PRPとHSRのシームレスな予約のプロトコル

業界では、LAN要件はますます深刻になっています ICSはますます多くの機能を引き継ぎ、データ損失は深刻なコストにつながる可能性があります。



たとえば、エネルギーセクターでは、測定トランスデューサからのデータが時間通りにリレーターミナルに届かない場合、これは短絡が電力グリッドの隣接するセクションに広がることに悩まされる可能性があり、短絡のあるセクションのタイムリーな切断の場合よりもはるかに深刻な損失につながります。 したがって、エネルギープロジェクトでは、多くの場合、「1 ms未満の回復時間」という要件を満たすことができます。



RSTP、MRP、DLRなどの業界全体のプロトコルに基づくネットワークの冗長性は、データ転送に何らかの不具合が発生した場合のトポロジの変更に基づいています。 トポロジの変更には一定の時間がかかります（プロトコルに応じてミリ秒から秒になります）。これは「回復時間」と呼ばれます。 この間、ネットワークの一部との通信は行われないため、データは失われます。 つまり 従来のリング冗長技術では、1 ms未満の回復時間は許可されていません。



これを考慮して、いわゆる「シームレス」な冗長性技術-PRPおよびHSR-が人気を集めています。 上記のプロトコルとは対照的に、PRPとHSRに基づく冗長性は、トポロジの再構築ではなく、フレームの複製によって実行されます。 各フレームは送信者によって複製され、両方のフレームは異なる方法で送信され、受信ノードは最初に到着したフレームを処理し、2番目を破棄します。 この動作原理はトポロジの再構築を必要とせず、したがって、このプロトコルはほぼ「シームレス」に動作します。 カットの下に、これらのプロトコルの実装の詳細が表示されます。

ネットワーク構造

シームレスな冗長性は、ネットワークコンポーネントではなく、エンドノードに実装されます。 これは、RSTPやMRPなどの他のバックアッププロトコルとのPRPとHSRの主な違いの1つです。 PRPおよびHSRのネットワーク構造の機能を検討してください。

PRP-ネットワーク構造

エンドノードには、互いに分離された2つのネットワークに接続された2つのイーサネットインターフェイスがあり、並列に動作し、独立したトポロジを持っています（つまり、これら2つのネットワークのトポロジは同じでも異なっていてもかまいません）。 1つのネットワークでの誤動作やデータ送信の停止が2番目のネットワークに影響しないように、ネットワークを分離する必要があります。 ネットワークにもさまざまなソースから電力が供給されます。 これらのネットワーク間には直接接続しないでください。







PRPネットワーク構造



これらの2つのネットワークは、通常LAN AおよびLAN Bと呼ばれます。前述のように、異なるトポロジと異なるパフォーマンスを持つことができます。 データ送信の遅延も異なる場合があります。



次の要素がネットワーク上に存在する場合があります。

• DAN（Dual Attached Node）-両方のネットワークに接続し、重複したフレームを送受信するノード。
• SAN（単一接続ノード）-1つのネットワーク（LAN AまたはLAN B）のみに接続し、通常のフレームを送受信するノード。
• イーサネットインターフェイスが1つあり、PRPプロトコルをサポートしないデバイスをRPRネットワークに冗長接続する必要がある場合、いわゆる冗長ボックス（通常はRedBox）が使用されます。 RedBoxでは、データがDANから送信されたかのように、デバイスからのパケットが複製されてPRPネットワークに送信されます。 さらに、RedBoxの背後にあるデバイスは、他のデバイスのDANと見なされます。 このようなノードは、仮想DANまたはVDAN（仮想DAN）と呼ばれます。

RedBox'aの原理

HSR-ネットワーク構造

HSRネットワーク構造



HSRの動作原理は、すべてのデバイスがリングに結合され、PRPと同様にすべてのメッセージが複製されることです。 デバイスは両方のフレームをリングを介して送信します。1つは時計回りにコピーし、もう1つは反時計回りにコピーします。 受信者は両方のコピーを受信しますが、最初のコピーのみを処理し、2番目のコピーを削除します。 リンクの1つに何かが発生し、複製されたフレームの1つが届かない場合、もう1つは受け入れられます。 すべてのHSRデバイスには、ポートAとポートBの2つのイーサネットインターフェイスがあります。



HSRプロトコルによれば、次の要素がネットワークに存在する場合があります。

• SANは、イーサネットインターフェイスが1つしかないノードです。 このようなノードは、RedBoxのみを介してHSRネットワークに接続できます。
• DAN-HSRリング内でデータを交換できる（重複フレームを送受信できる）ノード。
• RedBox-PRPと同様に、RedBoxを使用すると、1つのイーサネットインターフェイスを持つデバイスをHSRネットワークに接続できます。 RedBoxの背後にあるデバイスは、他のデバイスのDANと見なされます。 このようなノードは、仮想DANまたはVDAN（仮想DAN）と呼ばれます。
• QuadBox-HSRには、1つの新しい要素QuadBoxも導入されています。 このデバイスには4つのHSRポートがあります。 2つのHSRリングを組み合わせることができます。 各リングで、QuadBoxはDANとして機能し、1つのリングから別のリングにデータを転送できます。

QuadBoxの例

DAN構造

PRPとHSRの場合、DAN構造は類似しています。 各DANには、並行して動作する2つのインターフェイスがあり、いわゆるLRE層（リンク冗長エンティティ）を介して1つの通信スタックの上位レベルに接続されます。 このレベルでは、すべてのバックアップ機能が実行されます。



両方のDANインターフェイスには、同じMACアドレスと1つのIPアドレスがあります。 これにより、最上位レベルに対して予約を透過的にすることができます。 特に重要なのは、これによりDANおよび非冗長ノードでARPを使用できることです。



ただし、もちろん、PRPおよびHSRのDAN構造には微妙な違いがあります。

PRP-DAN構造

フレームがトップレベルから送信されると、LREはそれを複製し、両方のパケットをほぼ同時にポート経由で送信します。 両方のフレームは、遅延の異なる2つのネットワークを介して並行して送信されます。 理想的な状況では、最小の時間差で宛先ノードに配信されます。 LREを受信すると、受信機は最初の受信フレームを上位層に送信し、2番目のフレームを破棄します。



LREは送信時に重複フレームを作成し、受信時にそれらを処理します。 このレベルは、上位レベルに関連して、非冗長ネットワークアダプターの通常のインターフェイスです。 LREは、重複フレームの処理と冗長性の管理という2つのタスクを実行します。 制御を実装するために、LREは32ビットの冗長制御トレーラー（RCT）を各フレームに追加し、フレームの受信時に削除します。







PRPの2つのDAN間のデータ転送

HSR-DAN構造

上位層から送信されたフレームはLRE層によって複製され、パケットはポートAとポートBを介してほぼ同時に送信されます。 （図の1と2）。



フレームを受信すると、レシーバはそれをLREレベルに転送し、さらに別のポートにリダイレクトして、リングでさらに渡します。 （3、4）。



フレームが送信者に到着すると、このフレームはそれ以上送信されず、破棄されます（5、6）。



両方のフレームがLREレベルに到着しますが、より速く送信されたフレームは上位レベルに転送され、複製されたフレームは破棄されます。



LREは48ビットHSRタグを各フレームに追加し（VLANタグの追加と同様）、受信時にこのタグを削除します。







HSR内の2つのDAN間のデータ転送

SANとDANの相互運用性

PRPでは、SANはLAN AまたはLAN Bの任意のネットワークに接続できますが、そのようなノードはバックアップ機能をサポートしていません。 したがって、1つのネットワークに接続されたSANは、2番目のネットワークに接続された同様の別のノードと通信できません。 SANとやり取りするために、DANは特別なフレームを生成します。 この必要性は、SANが通常のIEEE 802.3データブロックとRCTを区別できないため、冗長デバイスからの通常のフレーム内のSANがRCTを無視する必要があるという事実が原因です。 次に、DANはフレームをSANに送信することを理解し、フレームにRCTを追加しません。 最上位からSANが接続されているインターフェイスに1フレームを単に転送します。 つまり、DANが別のDANとデータを交換しているものを判別できない場合、フレームにRCTを追加しません。



HSRでは、SANをネットワークに直接接続することはできません。 RedBoxを介して排他的に接続できます。

DANモード

両方のインターフェイスで受信された重複フレームを使用する場合（サービス可能な場合）、DANはフレームの1つを受け入れ、2番目のフレームを破棄する必要があります。 PRPには2つの処理方法があります。

• 重複受け入れは、両方の着信フレームを受信し、上位レベルにリダイレクトする方法です。
• 重複破棄-受信ノードが着信フレームのRCTから情報を読み取り、破棄するフレームを決定する方法。

HSRの場合、最も一般的なUおよびXモードを検討してください。

受け入れを複製

このモードで動作しているDANは、データリンクレイヤーでの処理時にフレームをドロップしません。



フレームはRCTなしでLAN AおよびLAN Bに送信されます。 受信者LREは、さらに送信すると重複が破壊されると仮定して、両方のフレームを上位レベルに単純にリダイレクトします（IEEE 802.1Dでは、上位レベルのプロトコルが重複フレームを処理できる必要があると明確に述べています）。



たとえば、TCPおよびUDPには、フレームを複製するための高レベルの復元力があります。



この方法は実装が非常に簡単ですが、深刻な欠点があります-ネットワーク制御機能を提供しません。 両方のフレームの受信は監視されません。

チャネルレベルでの重複廃棄

2番目の方法を使用する場合、4つのオクテットで構成されるフィールド-RCT（冗長制御トレーラ）がフレームに追加されます。 フレームがトップレベルから受信されると、LREレベルでトレーラーが追加されます。 RCTは、次のパラメーターで構成されます。

• 16ビットのシーケンス番号。
• 4ビットのネットワーク識別子、LAN Aの場合は1010（0xA）、LAN Bの場合は1011（0xB）。
• 12ビットのフレームサイズ。

フレームにRCTトレーラーが追加されているため、そのサイズはIEEE 802.3-2005規格で定義されている最大フレームサイズよりも大きくなります。 PRPを使用してネットワーク内でデータを送信するには、1496オクテットのサイズでデータを送信するように機器を構成する必要があります。 このため、すべてのスイッチがLAN AまたはLAN Bでの使用に適しているわけではありません。







RCT追加フレーム



リンク層が特定のアドレスにフレームを送信するたびに、送信者は対応するノードのシーケンス番号を増やし、両方のインターフェースを介して同一のフレームを送信します。



受信ノードは、RCTからの情報に基づいて複製を決定する必要があります。

重複破棄メソッドアルゴリズム

受信者は、PRPプロトコルを使用して任意のソースから送信されたフレームが、常に増加する数で連続して送信されると想定します。 次のフレームに予想されるシーケンス番号は、変数ExpectedSeqAに格納され、それに応じてExpectedSeqBに格納されます。



受信すると、シーケンスの正確性は、ExpectedSeqA（ExpectedSeqB）の値を、RCTのcurrentSeq変数に格納されている受信フレームのシーケンス番号と比較することで確認できます。 結果が正の場合、変数ExpectedSeqはcurrentSeqよりも1大きい値に設定されているため、この行で正しいチェックを実行できます。







フレームドロップ間隔（ドロップウィンドウ）



両方のインターフェイスについて、スライディングシーケンス番号の動的なフレームドロップ間隔があります。 この間隔の上限は、指定された値自体を除くExpectedSeq（このインターフェイスで次に予想されるシーケンス番号）であり、この間隔の下限はstartSeq（そのようなシーケンス番号を持つ複製フレームが破棄される最小のシーケンス番号）です。



シーケンス番号を確認した後、受信者はフレームを破棄するかどうかを決定します。 LAN Aにゼロ以外のフレームドロップ間隔サイズがあると仮定します（図5）。 この間隔内にある番号を持つLAN Bからのフレームは破棄されます。 LAN Bからの他のすべてのフレームは受け入れられ、上位レベルに送信されます。



LAN Bからフレームをドロップすると、LAN Aのサイズが小さくなります。 このフレームを受信した後、このインターフェイスでより小さい番号のフレームは期待されません。 したがって、startSeqAはcurrentSeqBより1つ多く設定されます。 この場合、LAN Bフレームのドロップ間隔のサイズは0にリセットされます（startSeqB = expectedSeqB）。 明らかに、LAN BフレームはLAN LANの「背後」にあり、LAN Aからのフレームはドロップされません。







LAN Bからフレームをドロップした後、LAN A間隔を短くする



図7の状況では、LAN Aからのいくつかのフレームが連続して来るが、LAN Bからは何も来ない場合、それらは受け入れられます。 それらのcurrentSeqはLAN Bフレームの廃棄間隔の外側にあり、LAN A間隔は1ポジション増加します。 LAN Aからのフレームが引き続き到着し、LAN Bからは何も届かない場合、最大間隔サイズに達すると、startSeqAも1ずつ増加し始めます。



受信したフレームが別のLANのフレームの破棄間隔外にある場合、このフレームは保存され、このインターフェイスの間隔サイズは1に設定されます。これは、同じシーケンス番号を持つ別のLANのフレームのみが破棄され、他のインターフェイスのドロップウィンドウが破棄されることを意味しますは0に設定されます。これは、フレームがドロップされないことを意味します（図7）。







LAN Bからのフレームはドロップされませんでした



最も一般的な状況は、両方のインターフェイスが同期され、両方の間隔のサイズが0の場合です（図8）。これは、最初に来るインターフェイスのフレームが受け入れられ、このインターフェイスの間隔が1に増加し、別のインターフェイスからフレームをドロップできることを意味します同じシーケンス番号。







同期LAN



RCTのLAN識別子により、重複フレームは1ビットだけ異なります（チェックサムも異なります）。 受信者は、フレームがインターフェイスに属していることを確認します（つまり、LAN A識別子を持つフレームがインターフェイスAに到着したことを確認します）。 受信者はこのフレームをドロップしません。 データブロックに有用な情報が含まれている場合がありますが、この場合、カウンターcntWrongLanAまたはcntWrongLanBが1つ増えます。 このようなエラーは1回だけなので（LAN AとLAN Bによって混同される）、カウンターは常に増加します。

リンクHSRトラフィック

HSRネットワーク内でデータを送信する場合、HSRタグが各フレームに追加されます。

HSRタグは、次のパラメーターで構成されます。

• 16ビットHSR Ethertype
• 4ビットパスインジケーター
• 12ビットフレームサイズ
• 16ビットのシーケンス番号

送信者は、送信される重複フレームに同じシーケンス番号を挿入し、このノードから送信される各メッセージのシーケンス番号を増やします。



受信者は、データを受信する各ソースからのすべてのフレームのシーケンス番号を監視します（MACアドレスによってソースを区別します）。 フレームが異なる行から来ており、同じソースとシーケンス番号を持っている場合、フレームの1つが受け入れられ、2番目のフレームは破棄されます。



ネットワークを制御するために、各デバイスは、データを受信するネットワーク内のすべてのノードのテーブルを保持しています。 これにより、ノードの消失とバス上のエラーを検出できます。



ノードは、送信元およびシーケンス番号で送信したフレームを識別します。







HSRタグが追加されたフレーム



HSRノードは、以前に受信したことがないフレームを破棄することはありません。 ノードは、ほぼすべての重複フレームを定義しますが、それらがほとんどない場合、それらを削除しません。 フレームはリング全体を通過し、送信側で破棄されます。



標準では、重複フレームを決定するためのアルゴリズムは定義されていません。 ハッシュテーブル、キュー、およびシーケンス番号の追跡は、可能な方法として使用できます。

Uモード

このモードでは、フレームを受信したノードは複製を破棄し、それ以上の伝播を許可しません。 それでもフレームがさらに転送された場合、次のノードで破壊されます。 このモードでは、ユニキャストトラフィックからリングをアンロードできます。



図では、赤い矢印は、ポート「A」から送信されたHSRタグ付きのパケットを示しています（以降、フレーム「A」）。



緑色の矢印は、ポート「B」から送信されるHSRタグ付きのパケットを示します（以降、フレーム「B」）。



空の矢印は、ドロップされたトラフィック、つまり 通常の動作中に送信されるフレームですが、このモードでは破棄されました。

十字は、リングからのトラフィックの削除を示します（いずれにしても）。

Xモード

このモードでは、ノードはフレームをそれ以上転送せず、そのようなフレームが別の方向から受信された場合、それを破棄します。



たとえば、画像のDAN 1はフレーム「B」をそれ以上送信しません。 彼はすでにフレーム「A」を受信して​​おり、DAN 2はそれ以降のフレーム「A」を送信しません。 すでにフレーム「B」を受信しました。



アルゴリズムのどこかでエラーが発生し、フレームがさらに送信された場合、それらは次のノードまたはそれらが作成されたノードで破棄されます。



Xモードは、PTPメッセージおよび監視フレーム送信には適用されません。

ネットワーク制御

PRP

受信者は、すべてのフレームが順番に到着し、両方のチャネルで正しく受信されることを確認します。 たとえば、SNMPを介して読み取ることができるエラーカウンターをサポートしています。



すべてのデバイスは、データを交換するノードテーブルをサポートしています。 これらのテーブルには、特定のノードから最後のフレームが送信または受信された時間に関する情報と、PRPプロトコルに関するその他の情報が含まれています。



同時に、これらのテーブルを使用すると、シーケンス番号の同期が必要な化合物を検出したり、壊れたシーケンスや欠落ノードを検出したりできます。



診断は、各DANが定期的に診断フレーム（監視フレーム）を送信するという事実に基づいているため、ネットワークの整合性とノードの存在を確認できます。 同時に、これらのフレームにより、どのデバイスがDANとして機能するかをチェックし、MACアドレスを決定し、どのモードで動作するかを確認できます-重複受け入れまたは重複破棄。

HSR

各ノードは常にすべてのリンクをチェックします。



各ノードは、ノードの状態に関する情報を含む診断フレームを（両方のポートに）定期的に送信します。 このフレームは、送信者を含むすべてのノードで受け入れられます。 送信者が独自の診断メッセージを受信すると、物理チャネルの整合性チェックが実行されます。



診断フレームを送信する間隔は比較的長いです（数秒）。 冗長性を提供する必要はありませんが、診断目的でのみ必要です。



見つかったすべてのパートナーのテーブルにすべてのノードが入力され、ノードが最後にアクティブになった時刻と、欠落しているすべてのフレームおよび順次送信されなかったフレームが記録されます。



発生したすべてのトポロジ変更もログに記録され、すべての情報はSNMPを介して取得できます。



HSRとPRP：長所と短所

おわりに

これは、あるプロトコルが別のプロトコルより優れていると言うことではありません-それらは異なるアプリケーション向けに少し設計されています。 HSRとPRPはどちらもシームレスなネットワーク冗長性を実現しますが、HSRを使用すると、より費用対効果の高いソリューションを作成できます。 しかし、そのような収益性には困難が伴います。 HSRベースのネットワークは拡張が難しく、アプリケーションの柔軟性はあまり高くありません。 柔軟性が低いのは、限られたトポロジ（リング、リングのペアリング）、および他の技術とのプロトコルの互換性が低いためです。 したがって、HSRは、冗長な小規模システムおよび大規模ネットワークへの統合により適しています。 ネットワーク全体のHSRベースの冗長性には問題があります。 PRPはより高価なソリューションですが、かなり大規模なネットワークを編成することができます。将来的には問題なく拡張できます。 このプロトコルにより、ほぼすべてのテクノロジーを便利に統合し、完全に異なるトポロジーを実装できます。



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