朝花夕拾：HSR/PRP冗余協議（一）
近年來，列車、工控甚至互聯網等行業對網絡可靠性傳輸的需求不斷提升，加之當今的網絡拓撲也越來越復雜，亟需一項兼容性好、易于使用的冗余協議。如此背景使得HSR/PRP這兩項發布已久，并在電力行業已經得到廣泛使用、驗證的冗余協議，再次出現在人們的視野之中。
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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絡傳輸的標準，共有7個部分，分別描述在鏈路層實現冗余的多種方法：
IEC 62439-1:2010
而HSR/PRP協議位于其中的第3部分，即IEC 62439-3。
IEC官方協議的鏈接如下：https://webstore.iec.ch/publication/24438
自2008年標準發布以來，IEC 62439-3也經過了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容：
IEC 62439-3各版本修訂內容
從中也可以看到實際上2008年第一版的協議中只有PRP協議，HSR協議是在2010年的第二版中才添加進去的。最初，IEC發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，但協議設計時的通用性，使得這兩項協議能不僅僅適用于變電站的應用場景下，而是成為一項工業網絡中的通用解決方案。02
什么是PRP冗余機制？ HSR/PRP協議分別提供獨特的冗余機制進行網絡鏈路的冗余備份，簡要的機制介紹如下：
SAN：Singly Attached Node，單端口節點，不實現PRP功能
DANP：Doubly Attached Node implementing PRP，PRP的雙端口節點，可直接發送PRP流量
RedBox：Redundancy Box，冗余盒，將SAN傳入的流量轉換成PRP流量發送出去
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，主要依托于兩個邏輯或物理分隔的子網（LAN A，LAN B，即所謂的A網、B網），以上圖中的信息傳輸為例：PRP發送方(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送出去（分別對應A網、B網），分別途徑兩個獨立的子網到達同一個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，會經過一系列的幀處理算法進行處理，簡而言之，就是依據“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”是如何產生和消除的？具體的幀組成又是怎樣的呢？請看下圖：
802.3 PRP幀格式
RCT字段由6個字節組成，內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字段的總字節大小
Lan Id：4位子網ID，僅有兩個值可選，0xa、0xb，代表A、B兩個子網
PRP Suffix：16位PRP信息幀后綴，固定為0x88fb
LRE所實現的總體功能，就如先前所提到的：發送方向，將原始幀復制一份，打上A、B兩個子網的RCT字段，向兩個端口分別發送；接收方向，則是根據源MAC、RCT中的幀序列號識別某一PRP幀，后依據“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子層內部的具體實現，有興趣的讀者可以自行移步IEC官網了解。下面是筆者測試SoC-eMEZU開發板（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開發板，已搭載SoC-e PRP IP核
抓包情況——A網的SAN節點
可以在A網SAN節點中wireshark的抓包情況中看到，MEZU開發板轉發ping幀的末尾中已經附帶了6字節的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0 5a：即十進制的90，即RCT+Payload段的長度，104減去以太網幀的14個字節的源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：
1、數據熱交換，某個子網出現故障時，零恢復延時，不丟數據
2、純二層的實現，可用于現有的任何工業以太網中，對應用層的程序透明
3、在任何網絡拓撲結構中均可使用
4、支持實時應用場景的數據傳輸
5、需要搭建兩個物理或邏輯獨立的子網
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：
04
應用案例
在以太網技術和IP技術廣泛應用的現在，傳統的音視頻廣播行業也完成了向AoIP（Audio over IP）的轉型，將以往需要專用硬件（HEADEND）和專用電纜所架構的音視頻傳輸網絡，由以太網/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/IP的新型的設備與網絡架構也面臨著新的問題：如何實現零延時的故障恢復，以在故障發生時保持所有站點間內容的緊密同步？
SMPTE 2022-7冗余網絡場景——實際上與PRP的相同
參考資料：[1]李俊剛,宋小會,狄軍峰,魏勇.基于IEC 62439-3的智能變電站通信網絡冗余設計[J].電力系統自動化,2011,35(10):70-73.
[2]SoC-e HSR-PRP IP coredatasheet
[3]wiki百科，HSR詞條：
https://en.wikipedia.org/wiki/High-availability_Seamless_Redundancy
[4]wiki百科，PRP詞條：
https://en.wikipedia.org/wiki/Parallel_Redundancy_Protocol
[5]Tutorial on PRP：
https://www.solutil.ch/kirrmann/IEC_62439-3/IEC_62439-3.4_PRP_Kirrmann.pdf
[6]Tutorial on HSR：
https://www.solutil.ch/kirrmann/IEC_62439-3/IEC_62439-3.5_HSR_Kirrmann.pdf
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