Redundancia continua de alta disponibilidad

La redundancia continua de alta disponibilidad ( HSR ) es un protocolo de red para Ethernet que proporciona conmutación por error sin interrupciones ante el fallo de cualquier componente de la red. PRP y HSR son independientes del protocolo de aplicación y pueden ser utilizados por la mayoría de los protocolos Ethernet industriales de la serie IEC 61784. HSR no cubre el fallo de los nodos finales, pero se pueden conectar nodos redundantes mediante HSR.

Los nodos HSR tienen dos puertos y funcionan como puente , lo que permite organizarlos en una estructura de anillo o malla sin conmutadores dedicados. Esto contrasta con el estándar complementario Protocolo de Redundancia Paralela (PRP), ^{[ 1 ]} con el que HSR comparte el principio de funcionamiento. PRP y HSR están estandarizados por la norma IEC 62439-3:2016. ^{[ 2 ]}

PRP y HSR son adecuados para aplicaciones que requieren alta disponibilidad y tiempos de conmutación cortos. ^{[ 3 ]} Para tales aplicaciones, el tiempo de recuperación de protocolos comúnmente utilizados, como el Protocolo de Árbol de Expansión Rápida (RSTP), es demasiado largo. Se ha adoptado para la automatización de subestaciones eléctricas en el marco de IEC 61850. [ ^{4 ] Se} utiliza en accionamientos sincronizados (por ejemplo, en máquinas de impresión) e inversores de alta potencia.

El inconveniente de la alta velocidad de transmisión (HSR) es que los nodos requieren soporte de hardware ( FPGA o ASIC ) para reenviar o descartar tramas en microsegundos. Este coste se compensa al no requerirse conmutadores Ethernet. De todos modos, el soporte de hardware es necesario cuando el nodo admite sincronización de reloj o seguridad.

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  Operación de red HSR (multidifusión)
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  Formato de trama HSR (con etiqueta)
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  Interacción de los nodos HSR (DANH)

Un nodo de red HSR (DANH) tiene al menos dos puertos Ethernet , cada uno conectado a un nodo HSR vecino, de modo que siempre existen dos rutas entre dos nodos. Por lo tanto, mientras una ruta esté operativa, la aplicación de destino siempre recibe una trama. Los nodos HSR comprueban continuamente la redundancia para detectar posibles fallos.

HSR se utiliza normalmente en una topología de anillo o en otra topología de malla .

Los nodos con una sola conexión (como una impresora) se conectan a través de una RedBox (Redundancy Box).

Es posible establecer conexiones redundantes con otras redes, especialmente con una red de Protocolo de Redundancia Paralela (PRP).

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.

Cada nodo HSR es un nodo de conmutación, es decir, puede reenviar una trama recibida en un puerto a al menos otro puerto en modo de conmutación directa.

Un nodo de origen envía la misma trama a través de todos los puertos a los nodos vecinos.

Un nodo de destino debe recibir, en estado libre de fallos, dos tramas idénticas con una cierta desviación temporal, reenviar la primera trama a la aplicación y descartar la segunda trama cuando (y si) llegue.

Un nodo reenvía una trama a menos que detecte una trama que él mismo haya enviado o que ya haya enviado. Para reducir el tráfico unicast, un nodo no reenvía una trama de la que sea el único destino (Modo U). Esto no se aplica cuando se requiere supervisión del tráfico.

Para reducir el tráfico, un nodo puede abstenerse de enviar una trama que ya recibió de la dirección opuesta en el mismo puerto (Modo X), ^{[ 5 ]} pero esto no se aplica a todas las tramas.

Además, varios algoritmos que se basan en el aprendizaje de la ubicación de los nodos de la red pueden servir para la reducción del tráfico HSR, como el bloqueo de puertos y el bloqueo de puertos mejorado, (PL) y (EPL) respectivamente, que funcionan cerrando los puertos que conducen a un nodo inexistente, ^{[ 6 ]}

En particular, las tramas del Protocolo de Tiempo de Precisión (multidifusión) no son duplicadas entre sí, ya que cada nodo las modifica para corregir la hora. Dichas tramas solo pueden ser retiradas por el nodo que las insertó originalmente o por otro nodo que ya las haya enviado. Además, este modo no se puede utilizar cuando se requiere un funcionamiento determinista.

Se da un tratamiento especial a las tramas específicas del enlace, como las tramas LLDP o Pdelay_Req / Pdelay_Resp del Protocolo de Tiempo de Precisión , para las cuales se ignora la etiqueta HSR, pero debe estar presente.

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 HSR. El número de secuencia, el tamaño de la trama y el identificador de ruta se incluyen en una etiqueta HSR de 6 octetos (encabezado).

NOTA: todos los dispositivos antiguos deberían aceptar tramas Ethernet de hasta 1528 octetos, lo que está por debajo del límite teórico de 1535 octetos.

En un anillo HSR, las aplicaciones para tráfico multicast solo disponen de aproximadamente la mitad del ancho de banda de la red (en comparación con RSTP). Esto se debe a que todos los tramas se envían dos veces a través de la misma red, incluso en ausencia de fallos. Sin embargo, dado que la infraestructura de red también se duplica en topologías de anillo cerrado, se dispone del ancho de banda nominal. Por ejemplo, en un  anillo Ethernet de 100 Mbit/s  , se dispone de 100 Mbit/s (pero no de 200  Mbit/s).

Dado que el retardo de reenvío de cada nodo en un anillo HSR se suma a la latencia total de la red, los tramas se reenvían en microsegundos. En la práctica, se requiere soporte de hardware ( FPGA ) ^{[ 7 ]} para reducir la latencia por salto a un valor razonable (unos 5 μs a 100  Mbit/s), utilizando conmutación de corte . Para ello, cada trama tiene una etiqueta HSR que permite reconocer si la trama debe reenviarse o no, para evitar el almacenamiento y reenvío . Esto significa que las tramas corruptas no se eliminarán del anillo hasta que lleguen a un nodo que ya las haya enviado.

El Anexo C de la norma IEC 62439-3 especifica un Perfil Industrial de Protocolo de Tiempo de Precisión (PIP L2P2P) que permite la sincronización de relojes con una precisión de hasta 1 μs en un anillo de 16 nodos HSR. Este protocolo PTP también permite operar el anillo HSR de forma determinista para una clase de tráfico específica, por ejemplo, Valores Muestreados en la norma IEC 61850. Ha sido adoptado por el IEEE como IEC/IEEE 61850-9-3 . ^{[ 8 ]}

• Redundancia (ingeniería)
• Anillo de paquetes resiliente
• Protocolo de árbol de expansión
• Anillo de fichas

Originalmente, el protocolo se denominó HASAR por las iniciales de las cinco empresas que trabajaban para compañías eléctricas y que lo crearon (Hirschmann, ABB, Siemens, Alstom y RuggedCom). El departamento de marketing lo renombró HSR, por "High-availability Seamless Ring" (Anillo sin fisuras de alta disponibilidad), pero HSR no se limita a una topología de anillo simple.

• Heine, Holger; Kleineberg, Oliver; "El protocolo de redundancia sin interrupciones de alta disponibilidad (HSR): redes robustas tolerantes a fallos y prevención de bucles mediante el descarte de duplicados", WFCS 2012, Lemgo, Alemania
• Heine, Holger; Bindrich, Diana; " Diseño de redes de comunicación de subestaciones IEC61850 fiables y de alto rendimiento basadas en topologías PRP y HSR " En Distribución de electricidad (CIRED 2013), 22.ª Conferencia y Exposición Internacional, Estocolmo, Suecia
• Hoga, Clemens, « Soluciones de red y su usabilidad en aplicaciones de subestaciones », en PacWorld, septiembre de 2010.
• Ilie, Diana; Honegger, Claudio; Kirrmann, Hubert; Sotiropoulos, Ioannis " Rendimiento de una implementación PTP totalmente basada en hardware para una red de automatización de subestaciones redundante IEC 62439-3 IEC 61850 ", ISPCS 2012

• IEC 62439-3
• Tutorial sobre HSR
• Tutorial sobre el Protocolo de Redundancia Paralela (PRP)
• Tutorial sobre los perfiles de protocolo de tiempo de precisión tolerantes a fallos en IEC 62439-3.
• Base de datos de tejidos (cuestiones técnicas) de la norma IEC 62439-3 / IEC/IEEE 61850-9-3.
• Protocolo de redundancia continua de alta disponibilidad ZHAW Archivado el 6 de febrero de 2017 en Wayback Machine
• MOXA, Soluciones para subestaciones PRP/HSR
• HIRSCHMANN HSR Alta disponibilidad y redundancia sin interrupciones
• Redundancia continua de alta disponibilidad (HSR) de Flexibilis
• Siemens Redes redundantes para la industria Archivado el 6 de febrero de 2017 en Wayback Machine
• Rutas de migración de RuggedCom para redes de comunicación de subestaciones IEC 61850 hacia una redundancia superior basada en topologías híbridas PRP y HSR. Archivado el 6 de febrero de 2017 en Wayback Machine.
• netModule PRP und HSR Protokolle für Redundantes Industrielles Ethernet Archivado el 6 de febrero de 2017 en Wayback Machine.