Protocolo de redundancia paralela

El Protocolo de Redundancia Paralela ( PRP ) es un estándar de protocolo de red para Ethernet que proporciona una conmutación por error sin interrupciones ante el fallo de cualquier componente de la red. Esta redundancia es invisible para la aplicación.

Los nodos PRP tienen dos puertos y están conectados a dos redes separadas de topología similar. PRP puede implementarse completamente mediante software, es decir, integrado en el controlador de red. Los nodos con una sola conexión solo pueden conectarse a una red. Esto contrasta con el estándar HSR (IEC 62439-3, cláusula 5), ​​con el que PRP comparte el principio de funcionamiento.

PRP y HSR son independientes del protocolo de aplicación y pueden ser utilizados por la mayoría de los protocolos Ethernet industriales en el conjunto IEC 61784. PRP y HSR están estandarizados por la norma IEC 62439-3:2016 ^{[ 1 ]} ). Han sido adoptados para la automatización de subestaciones en el marco de la norma IEC 61850 .

PRP y HSR son adecuados para aplicaciones que requieren alta disponibilidad y tiempos de conmutación cortos, ^{[ 2 ]} tales como: protección para subestaciones eléctricas , ^{[ 3 ]} accionamientos sincronizados, por ejemplo en máquinas de impresión o inversores de alta potencia. Para tales aplicaciones, el tiempo de recuperación de protocolos comúnmente utilizados como el Protocolo de Árbol de Expansión Rápida (RSTP) es demasiado largo. ^{[ 4 ]}

El coste de la PRP radica en la duplicación de todos los elementos de red que la requieren. El impacto en el coste es bajo, ya que no hay mucha diferencia entre tener las piezas de repuesto almacenadas o en funcionamiento. El intervalo de mantenimiento se acorta, puesto que pueden fallar más componentes durante su uso, pero dicha interrupción no será perceptible para la aplicación.

El sistema PRP no cubre los fallos de los nodos finales, pero los nodos redundantes pueden conectarse a través de una red PRP.

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  Operación de la red PRP
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  Formato de fotograma PRP (con tráiler)
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  Interacción de los nodos PRP (DANP)

Cada nodo de red PRP (DANP) tiene dos puertos Ethernet conectados a dos redes de área local separadas con topología arbitraria, pero similar. Las dos LAN no tienen enlaces que las conecten y se asume que son independientes ante fallos, para evitar fallos de modo común.

Los nodos con una sola conexión (como una impresora) están conectados a una sola red (y, por lo tanto, solo pueden comunicarse con otros nodos conectados a la misma red), o están conectados a través de un RedBox , un dispositivo que se comporta como un nodo con doble conexión. ^{[ 5 ]}

Dado que HSR y PRP utilizan el mismo mecanismo de identificación de duplicados, las redes PRP y HSR pueden conectarse sin un único punto de fallo y se pueden construir los mismos nodos para su uso en ambas redes.

Un nodo de origen (DANP) envía simultáneamente dos copias de una trama, una por cada puerto. Las dos tramas viajan a través de sus respectivas LAN hasta llegar a un nodo de destino (DANP) con cierto desfase temporal. El nodo de destino acepta la primera trama del par y descarta la segunda (si llega). Por lo tanto, mientras una LAN esté operativa, la aplicación de destino siempre recibe una trama. El protocolo PRP proporciona recuperación instantánea y permite comprobar la redundancia de forma continua para detectar fallos latentes.

Para simplificar la detección de duplicados, las tramas se identifican mediante su dirección de origen y un número de secuencia que se incrementa con cada trama enviada según el protocolo PRP. El número de secuencia, el tamaño de la trama, el identificador de ruta y un Ethertype se añaden justo antes de la suma de comprobación Ethernet en un tráiler PRP de 6 octetos. Este tráiler es ignorado (considerado como relleno) por todos los nodos que desconocen el protocolo PRP, por lo que estos nodos conectados individualmente (SAN) pueden operar en la misma red. NOTA: todos los dispositivos heredados deberían aceptar tramas Ethernet de hasta 1528 octetos, lo que está por debajo del límite teórico de 1535 octetos.

Las dos interfaces Ethernet de un nodo utilizan la misma dirección MAC . Esto es posible ya que las dos redes LAN no están conectadas. Por lo tanto, PRP proporciona redundancia de capa 2, lo que permite que los protocolos de red de capas superiores operen sin modificaciones. Un nodo PRP solo necesita una dirección IP . En particular, el protocolo ARP relaciona correctamente la dirección MAC con la dirección IP.

La norma IEC 62439-3 Anexo C especifica el perfil industrial del protocolo de tiempo de precisión que admite una sincronización de reloj sobre PRP con una precisión de 1 μs después de 15 elementos de red, como perfil del protocolo de tiempo de precisión IEEE Std 1588 .

Según el protocolo PRP, los relojes pueden conectarse dos veces, pero dado que la corrección varía según la ruta, el método de descarte de duplicados de PRP no es aplicable. Asimismo, los mensajes de medición de retardo (Pdelay_Req y Pdelay_Resp) no se duplican, ya que son locales al enlace.

Aproximadamente cada segundo, un reloj maestro envía dos copias de un mensaje de sincronización, pero no exactamente al mismo tiempo, ya que los puertos están separados; por lo tanto, las sincronizaciones originales ya tienen marcas de tiempo diferentes.

Un esclavo recibe los dos mensajes de sincronización en momentos diferentes y aplica el algoritmo del mejor reloj maestro (BMCA). Cuando ambos mensajes provienen del mismo maestro, la calidad del reloj se utiliza como criterio de desempate. Normalmente, un esclavo escucha un puerto y supervisa el otro, en lugar de alternar entre ellos o usar ambos mensajes de sincronización.

Este método funciona para varias opciones en 1588, con operación de capa 2/capa 3 y con medición de retardo punto a punto/de extremo a extremo. La norma IEC 62439-3 define estos dos perfiles como:

• L3E2E (Capa 3, de extremo a extremo) que satisface los requisitos de ODVA
• L2P2P (Capa 2, peer-to-peer) que cumple con los requisitos de las empresas de servicios eléctricos en IEC 61850 y ha sido adoptado por IEEE en IEC&IEEE 61850-9-3. ^{[ 6 ]}

La norma original IEC 62439:2010 incrementaba el número de secuencia del tráiler de control de redundancia (RCT) en las tramas PRP para cada conexión. Esto proporcionaba una buena cobertura de detección de errores, pero dificultaba la transición de PRP al protocolo de redundancia continua de alta disponibilidad (HSR), que utiliza una topología de anillo en lugar de redes paralelas.

La norma revisada IEC 62439-3:2012 alineó PRP con HSR utilizando el mismo algoritmo de descarte de duplicados. Esto permitió construir puentes y nodos de conexión PRP-HSR transparentes que pueden operar tanto como PRP (DANP) como HSR (DANH).

La antigua norma IEC 62439:2010 a veces se denomina PRP-0, ya que todavía se utiliza en algunos sistemas de control, y la PRP 2012 se denomina "PRP". ^{[ 7 ]}

Se encontró una aplicación interesante de PRP en el área de la comunicación inalámbrica como "combinador de temporización" [ ^{[ 8 ]} ], que produjo una mejora significativa en la pérdida de paquetes y el comportamiento de temporización en enlaces inalámbricos redundantes paralelos.

• Redundancia continua de alta disponibilidad
• Protocolo de redundancia de medios
• IEC/IEEE 61850-9-3

• Tutorial de ZHAW sobre el Protocolo de Redundancia Paralela (PRP)
• PRP en la Wiki de Wireshark
• Tutorial sobre el Protocolo de Redundancia Paralela (PRP)
• Tutorial sobre redundancia continua de alta disponibilidad (HSR)
• Tutorial sobre el Protocolo de Tiempo de Precisión con redundancia sin interrupciones en PRP y HSR.
• Implementación comercial para Microsoft Windows por Siemens SIMATIC