ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ СЕТЕЙ ETHERNET

Резервирование — это практически единственный и широко используемый способ увеличения надежности систем автоматизации [1]. Резервирование сетей Ethernet позволяет исключить влияние отказа одного из узлов сети на работу целого сегмента или нескольких сегментов сети.

В данной статье приведен обзор современных технологий резервирования промышленных сетей: Parallel Redundancy Protocol (Протокол параллельного резервирования, далее PRP) и High Availability Seamless Ring (Высоконадежное однородное (бесшовное) резервирования, далее HSR) [1]. В ходе исследований были проведены оценочные испытания, для того, чтобы определить характеристики платформы от компании Texas Instruments Sitara AM335x, при использовании данных протоколов. Целью научно-исследовательской работы, является создание встраиваемого модуля резервирования сетей Ethernet.

PRP — это протокол резервирования сетей Ethernet, который применяется в качестве одного из протоколов резервирования для автоматизации подстанций в стандарте IEC 61850 [1]. Основой данного протокола является использование, как минимум двух одновременно активных, независимых друг от друга соединений между двумя узлами сети. На рис. 1 представлена схема операции PRP для топологии звезды. Источник данных посылает два одинаковых кадра по двум Ethernet каналам, тот, что первый достигает приемника, будет принят и использован в дальнейшем, а второй отброшен [2].

Рисунок 1. Принцип работы сети PRP

Одним из главных преимуществ PRP является то, что резервирование построено на стандартных Ethernet сетях, что позволяет применять к ним стандартные подходы и инструменты сети.

Инструменты для регулирования ширины пропускания каналов является одним из таких инструментов. При использовании большой сети критичной становится возможность управлять шириной полосы ее пропускания.

Так же преимуществом является то, что данную технологию можно использовать в сетях практически любых топологий, но чем сложнее топология, тем сложнее будет реализовать ее резервирование.

К недостаткам PRP сетей можно отнести необходимость полной независимости двух внутренних сетей: такие сети не должны быть соединены друг с другом. В других сетях, включаеющих в себя смешанный трафик, трафик не PRP не может быть проведен через сеть с использованием VLAN меток и фильтрации, так, чтобы PRP кадры не были частью этого мероприятия. Стоит уделить внимание физическому соединению устройств в сеть, которые предлагается осуществлять, используя особые цвета для соединения кабелей.

HSR — является последующим развитием концепции PRP. Основой так же является использование двух синхронных сетей, но в данном случае они замкнуты в кольцо. На рис. 2 изображен принцип работы HSR. Источник данных посылает два одинаковых кадра в двух разных направлениях по кольцу, тот, что первый достигает приемника, будет принят и использован в дальнейшем, а второй отброшен [2].

Рисунок 2. Принцип работы сети HSR

Одной из главных характеристик устройства для PRP и HSR сетей считается пропускная способность канала передачи данных, а именно способность справляться с поступающим трафиком. Каждый из узлов сети, должен быть способен выдержать заданную для сети пропускную способность. Производитель процессора AM335x, заявил пропускную способность в 100 Мбит/с [5].

Для оценки пропускной способности LRE таких устройств, можно при помощи любой достаточно мощной ЭВМ с интерфейсом Ethernet, имеющим заведомо большие показатели, чем тестируемое устройство. Для тестирования устройства был использован ноутбук, с Ethernet контроллером «RTL816B» [3]. Так же для мониторинга и тестирования сетевых устройств был выбран пакет ПО «wireshark».

Далеко не каждый переданный бит информации является полезным, распознаваемый сетевыми устройствами, такими как Wireshark. Стандарт IEEE 802.3 определяет длину Ethernet пакета, состоящую из следующих частей, (изображение частей представлено на рис. 3):

• Preamble – фрагмент пакета длиной 8 октет, состоящий из двух частей:
  
  • Первая часть имеет длину 7 октет, и название всего фрагмента, состоит из чередования битов 1 и 0. Она предназначена для создания подобия тактового сигнала, что позволяет принимающему устройству и источнику синхронизовать тактовые частоты их физических интерфейсов.
  • Вторая часть, длиной 8 бит, т.е. 1 октет, называется Start of frame delimiter (SFD) – фрагмент пакета, который обозначает конец синхронизирующей последовательности и начало передачи данных.
• MAC destination – фрагмент пакета, который имеет длину 6 октет, содержит MAC адрес принимающего устройства.
• MAC source – фрагмент пакета длиной 6 октет, содержит MAC адрес устройства источника.
• EtherType – поле, имеющее длину 2 октета, содержащее в себе код типа инкапсулирующего протокола на канальном уровне.
• Payload – фрагмент, имеющий длину от 46 до 1500 октет, содержит в себе полезную информацию, которая передается Ethernet пакетом.
• Frame Check Sequence (FCS) – фрагмент пакета длиной 4 октета, который содержит последовательность контроля целостности содержимого пакета по алгоритму CRC32.
• Interpacket Gap (IPG) – простой канала передачи данных после передачи пакета, длиной в 12 октет.

Рисунок 3. Структура Ethernet кадра

Служебные фрагменты Preamble, SFD, FCS и IPG не учитываются при мониторинге трафика таким программным обеспечением как «Wireshark», хотя являются неотъемлемой частью сетевого трафика и обязательно должны быть учтены при проведении оценочных испытаний. Тем более эти фрагменты имеют фиксированную длину, а длина пакета может варьироваться от 84 до 1538 октет с учётом вышеуказанных фрагментов или от 64 до 1518 [6]. Из чего можно сделать вывод, что при оценочных испытаниях ПО «Wireshark» покажет различную пропускную способность в зависимости от длины пакета. Такая пропускная способность называется полезной пропускной способностью.

Зависимость полезной пропускной способности b, Мбит/с от длины кадра можно рассчитать по формуле:

На процессоре AM335x были проведены оценочные испытания, для определения полезной пропускной способности, и были построены графики зависимости полезной пропускной способности от длины кадра.

Рисунок 4. График зависимости полезной пропускной способности Ethernet интерфейса от длины пакета при использовании протокола PRP

Рисунок 5. График зависимости полезной пропускной способности Ethernet интерфейса от длины пакета при использовании протокола HSR

Как видно на рис. 4 и рис. 5, устройство на основе процессора AM335x показывает результат идентичный теоретическому в рамках допущений (±0,5 Мбит/с).

Выявленные на данном этапе характеристики устройства на базе процессора Sitara AM335x позволяют заявить, о приемлемости процессора к применению для построения коммуникационного модуля промышленного с поддержкой бесшовного резервирования.

В следующие этапы научно-исследовательской работы необходимо провести оценочные испытания платформ других компаний, которые предлагают свое решение HSR и PRP резервирования. Для того, чтобы сравнить с уже полученными результатами.

Список литературы:

1. Стандарт МЭК/IEC 62439-3:2016. Industrial communication networks – High availability automation networks – Part 3: Parallel Redundancy Protocol (PRP) and High-availability Seamless Redundancy (HSR). – Geneva, Switzerland, IEC, 2016 – 358 c.
2. Презентация компании Texas Instruments, Parallel Redundancy Protocol (PRP) Ethernet reference. Design for Substation Authorization.
3. Xiaobo Nie, Lide Wang, Baohua Wang, Biao Liu, and Ping Shen, «A Dynamic Linear Hashing Method for Redundancy Management in Train Ethernet Consist Network» // Mathematical Problems in Engineering Volume 2016, Article ID 1980867 – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.hindawi.com/journals/mpe/2016/1980867/ (дата обращения 01.06.2017)
4. Hunt R., Popescu B. «Comparison of PRP and HSR Networks for Protection and Control Applications» – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.eiseverywhere.com/file_uploads/21893ab38e0b7ba63a8c74d922f6d07f_hun_pap.pdf (дата обращения 01.06.2017)
5. Texas Instruments Wiki [Электронный ресурс] / ICSS HSR PRP Developer Guide – Режим доступа: http://processors.wiki.ti.com/index.php/ICSS_HSR_PRP_Developer_Guide (дата обращения 01.06.2017)
6. Redundancy Configuration Rail Switch Power Enhanced (HiOS-2A RSPE). User Manual – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://e-catalog.hirschmann.com/download/managed/pim/30c3f55d-6416-4cca-9c14-5f586ca3e84c/UM_RedundConfig_RSPE_HiOS-2A-03100_en.pdf;jsessionid=B07593D7FFE6BC682E69CFCEAA71EA2E?type=online (дата обращения 01.06.2017)