Zuverlässige Kommunikation

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1 Zuverlässige Kommunikation Redundanzkonzepte in Industriellen Kommunikationsnetzen und Anlagen Stephan Kehrer Engineer Future Technology Oktober Belden Inc.

2 Übersicht Warum Redundanz? Redundanzkonzepte MRP (IEC ) PRP/HSR (IEC ) IEEE P802.1CB Zusammenfassung 2014 Belden Inc. 2

3 Warum Redundanz? 2014 Belden Inc. 3

4 Warum Redundanz? Kritische Infrastrukturen und Anwendungen in der Industrie benötigen: Zuverlässigkeit Fehlersicherheit Robustheit Redundanzmechanismen bieten Sicherstellung der Kommunikation im Fall eines Fehlers durch zusätzliche Kommunikationspfade im Netzwerk Erfüllung der Anforderungen an Zuverlässigkeit, Robustheit, Fehlersicherheit 2014 Belden Inc. 4

5 Redundanzkonzepte 2014 Belden Inc. 5

6 Redundanzkonzepte Redundanz wird über die Netzwerktopologie erreicht Typische Ethernet-Topologien (z.b. Baum) keine Redundanz 2014 Belden Inc. 6

7 Redundanzkonzepte Redundanz wird über die Netzwerktopologie erreicht Typische Ethernet-Topologien (z.b. Baum) keine Redundanz Redundanz durch Einführung zusätzlicher Links Problem: zusätzliche Links erzeugen Schleifen Schleife 2014 Belden Inc. 7

8 Redundanzkonzepte Redundanz wird über die Netzwerktopologie erreicht Typische Ethernet-Topologien (z.b. Baum) keine Redundanz Redundanz durch Einführung zusätzlicher Links Problem: zusätzliche Links erzeugen Schleifen Lösung: Logische Schleifenfreiheit durch Redundanzprotokolle Schleife 2014 Belden Inc. 8

9 Redundanzkonzepte dynamische Redundanz Redundante Pfade sind nicht dauerhaft aktiv Auf Protokollebene ist das Netz schleifenfrei Im Fehlerfall: Anpassung der Netzwerktopologie Vorhandener Redundanzpfad wird aktiviert Kommunikationsfähigkeit ist wieder hergestellt Prinzip bedingte kurze Unterbrechung der Kommunikation im Fehlerfall Beispiele: Rapid Spanning Tree (RSTP) Media Redundancy Protocol (MRP) 2014 Belden Inc. 9

10 Redundanzkonzepte statische Redundanz Redundante Pfade dauerhaft aktiv Redundanz wird in die Edge-Geräte verschoben Protokoll muss Duplikate von Netzwerkpaketen erkennen und eliminieren Im Fehlerfall: Netzwerktopologie verändert sich nicht Kommunikationsfähigkeit bleibt durchgängig erhalten Keine Unterbrechung der Kommunikation im Fehlerfall Beispiele: High-Availability Seamless Redundancy Protocol(HSR) Parallel Redundancy Protocol (PRP) 2014 Belden Inc. 10

11 MRP (IEC ) Media Redundancy Protocol 2014 Belden Inc. 11

12 MRP (IEC ) - Eigenschaften Ringredundanzprotokoll mit unterschiedlicher Recovery-Zeit Unterschiedliche, definierte Parametersätze für Recovery-Zeiten von 500ms, 200ms, 30ms und 10ms Spezifiziert für bis zu 50 Ringteilnehmer Master/Client Struktur: Media Redundancy Manager (MRM) überwacht und schaltet den Ring Media Redundancy Client (MRC) Ringteilnehmer Bietet Absicherung gegen einen Fehler im Ring Dynamisches Redundanzprotokoll 2014 Belden Inc. 12

13 MRP (IEC ) - Funktionsprinzip MRM 2014 Belden Inc. 13

14 MRP (IEC ) - Funktionsprinzip MRM MRP test frames 2014 Belden Inc. 14

15 MRP (IEC ) - Funktionsprinzip MRM MRP test frames LinkChg LinkChg 2014 Belden Inc. 15

16 MRP (IEC ) - Funktionsprinzip MRM MRP test frames 2014 Belden Inc. 16

17 HSR und PRP (IEC ) High-Availability Seamless Redundancy und Parallel Redundancy Protocol 2014 Belden Inc. 17

18 HSR und PRP (IEC ) Grundlegende Konzepte Reine Layer 2 Redundanzprotokolle Transparent gegenüber höheren Schichten Redundanzbehandlung geschieht durch Link Redundancy Entity (LRE) Geräte mit LRE nennt man Dual Attached Node (DAN) LRE besteht im wesentlichen aus drei Netzwerkports Zwei Ports (A und B) zu den redundanten Pfaden/LANs Ein Port (C) zur Anwendung (bei DANP oder DANH) oder zum regulären Ethernet Netzwerk (bei RedBox) HSR/PRP Ethernet Frames Standard Ethernet Frames Beispiel: Aufbau einer HSR LRE (aus IEC ) HSR/PRP encap/decap Duplication / Discard HSR/PRP Ethernet Frames 2014 Belden Inc. 18

19 PRP Details 2014 Belden Inc. 19

20 PRP Details PRP Beispiel-Topologie: Statisches Redundanzprotokoll Benötigt zwei unabhängige Netzwerke Erlaubt beliebige Netzwerktopologien in jedem der beiden Netzwerke Nutzt zusätzliche PRP Information im Redundancy Control Trailer (RCT) Ermöglicht Koexistenz von PRP und Nicht-PRP Geräten im selben Netzwerk PRP Dual Attached Node (DANP) dupliziert Datenframes und sendet sie in beide Netzwerke Single Attached Nodes (SAN) an LAN A oder LAN B anschließbar sind in der Lage, mit allen Geräten in ihrem LAN zu kommunizieren RedBoxes können als Proxy für SANs agieren Ermöglicht SANs PRP Redundanz zu nutzen 2014 Belden Inc. 20

21 HSR Details 2014 Belden Inc. 21

22 HSR Details HSR Beispiel-Topologie: Benötigt ein Netz mit Ringstruktur 50% der verfügbaren Bandbreite effektiv nutzbar Nutzt zusätzliche HSR Information im Frame Header Information identisch zu PRP RCT, aber wird als HSR Ethertype verwendet HSR Dual Attached Node (DANH) dupliziert Datenframes und sendet sie über beide Ringports Single Attached Nodes (SAN) über RedBoxes an HSR-Ring anschließbar sind in der Lage, mit allen Geräten im Statisches Redundanzprotokoll HSR-Ring zu kommunizieren RedBoxes können als Proxy für SANs agieren Ermöglicht SANs HSR Redundanz zu nutzen 2014 Belden Inc. 22

23 IEEE P802.1CB Stoßfreie Redundanz bei Time Sensitive Networks (TSN) 2014 Belden Inc. 23

24 IEEE P802.1CB Teil der IEEE Time Sensitive Networking (TSN) 1 Familie von Standards Befindet sich im Draft-Stadium Erster Draft wurde im Mai 2014 zirkuliert Aktuelle Draft-Version ist 2.0 und wurde im Oktober 2015 zirkuliert Ziele des Standards: Anwendbar auf beliebige Netzwerktopologien Identifizierung und Replizierung von Frames für redundante Übertragung Identifizierung von Frame-Duplikaten Eliminierung von Frame-Duplikaten Statisches Redundanzprotokoll Belden Inc. 24

25 Zusammenfassung 2014 Belden Inc. 25

26 Zusammenfassung Unterschiedliche Applikationen haben unterschiedliche Anforderungen an Redundanz Verschiedene Redundanzkonzepte bieten unterschiedliche Vor- und Nachteile Es gibt nicht Das Richtige Redundanzprotokoll Das optimale Redundanzprotokoll ist abhängig von Anwendung, Topologie und sonstigen Rahmenbedingungen RSTP MRP HSR PRP IEEE P802.1CB (draft) Deterministische Rekonfiguration Nein Ja Ja Ja Ja Topologie Beliebig Ring mit Subringen Ring mit Subringen Beliebige parallele Netzwerke Beliebige Rekonfigurationszeit (worst case) >2s 10ms/30ms/ 200ms/500ms 0s 0s 0s Standardisiert in IEEE 802.1D-2010 IEC IEC IEC IEEE P802.1CB 2014 Belden Inc. 26

27 Fragen? Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Gibt es Fragen? 2014 Belden Inc. 27

28 Belden