3. PRP（Parallel Redundancy Protocol）――并行冗余協議

3.1 PRP 工作原理

        這種冗余協議在設備中執行冗余。一個終節點連接到兩個獨立的、具有相似拓撲的、并行運行的局域網上。

        兩個局域網遵循配置規則，支持網絡管理協議，比如支持地址解析協議（ARP）的正確執行。圖4顯示了一個冗余網絡，由兩個交換式局域網構成，可以為任何的拓撲結構，比如，樹型、環型或者網格。

圖 4 ―PRP 通用冗余網絡

        兩個局域網的協議在MAC-LLC（介質訪問控制－邏輯鏈路控制）層是相同的，但它們能夠有性能和拓撲的不同。傳送延遲可能也不同。兩個局域網之間沒有直接地連接，可以假設它們是失效無關的。

        一個執行PRP雙重連接的節點（簡稱DANP）連接了兩個局域網，分別為LAN_A和LAN_B。單一連接的節點（簡稱SAN）可以按兩種方式連接：
        ? SAN可以只連接到一個局域網上。SAN可以只和同一個局域網上的其他SAN通信。比如，在圖4中，SAN A1 可以和SAN A2通信，但不能和SAN B1或者SAN B2通信。SAN可以和所有的DANP通信。
        ? SAN可以通過一個冗余框（redundancy box）連接到兩個局域網上，就像圖4中所示。這樣SAN就可以和所有的SAN通信了，比如SAN B3可以和SAN A1進行通信。

        SAN不需要在意PRP，它們可以是市售的計算機。做為一個簡單的例子，圖5描繪了一個PRP網絡，兩個線性拓撲的局域網，也可稱為總線型拓撲。

圖5―兩個總線拓撲局域網的 PRP冗余網絡

        兩個局域網可以是環形拓撲，見圖6所示。

圖6―帶有SAN和DANP 的PRP冗余環

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3.2 節點結構

        每個節點有兩個端口，以并行的方式工作，通過LRE（鏈接冗余實體）它們連接同一個上層通信棧，如圖7所示。

圖7― PRP中兩個DANP的通信

        LRE有兩個任務：重復幀處理和冗余管理。這個層表示了向它上層的網絡適配器與非冗余的適配器有同樣的接口。

        當接收到來自上層節點的幀時，LRE通過它的兩個端口，幾乎同時地發送幀。兩個幀通過兩個局域網有不同的延時，理想情況下，它們可以同時到達目的節點。

        當接收來自網絡的幀時，LRE把第一達到的幀轉發到上層節點，放棄重復幀（如果到達的話）。

        為了管理冗余，LRE增加一個冗余檢測尾（RCT），把一個序列號加到幀中，通過它可以保持對重復的跟蹤。另外，LRE周期地發送PRP_Supervision幀，并且評估其他DANP的PRP_Supervision幀。

3.3 單連接節點和雙連接節點的兼容

        單連接節點（SAN），比如：維護膝上機或者打印機，可以連接到任何局域網。連接到一個局域網的SAN不能與連接到其他局域網中的SAN直接通信。交換機就是一種SAN，這些SAN不關心PRP冗余，所以這些SAN可以理解DANP生成的報文。條件是這些SAN忽略幀中的RCT，因為一個SAN 不能從IEEE 802.3 的幀中區分RCT。相反地，DANP也理解SAN生成的報文，因為這些報文沒有增加的RCT。它們僅轉發一幅幀到它們的上層，因為SAN報文僅在一個局域網中使用。一個DANP不能正確識別遠程設備是一個DANP，它認為它是一個SAN。

3.4 網絡管理
        一個節點在兩個端口有相同的MAC地址，而分派給那個地址僅有一個IP地址。這使得冗余對上層是透明的。特別地，這使得地址解析協議（ARP）可以和一個SAN以同樣的方式工作。

        在局域網中的交換機不是雙重連接設備，并且，所有管理型交換機有不同的IP地址。某種網絡管理工具更適于DANP，它能夠訪問這些節點與交換機，好像它們都屬于同一個網絡。特別地，對DANP執行網絡管理時，可以看見連到局域網中的所有SAN。

4 CRP（Cross-network Redundancy Protocol）―― 交叉冗余協議

4.1 CRP概述
        這部分描述一種在終節點中執行的冗余協議，與在交換機中建立的冗余協議相反。沒有中央的“冗余管理器”；取而代之的是：每個節點自主運行。

4.2 CRP節點
        現場已經存在了不同類型的節點，可以在同一個網絡上相互操作：
        ? 執行CRP協議的雙連接節點（簡稱DANC），有兩個端口用于冗余目的；
        ? 執行CRP協議的單連接節點（簡稱SANC），僅有一個端口；
        ? 單連接節點SAN，諸如商用膝上機或者文件服務器，它們不理會CRP協議。即便這樣，SAN也具有訪問冗余管理數據，實現監視和網絡管理的功能。

        在DANC中，這兩個端口稱為端口A 和端口B。由LRE來管理，執行方法沒有規定，只是從概念上定義在通信棧中，低于網絡層，如圖8所示。

圖8―CRP棧結構

        這種安排提供了應用層的透明度。LRE從上層隱藏了冗余和管理端口。因此，節點可以使用一個IP地址運行。

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4.3 CRP 局域網拓撲

        在DANC內執行冗余協議使得拓撲結構具有多樣性和廣泛性，使用的交換機不用關心冗余協議，并且可以執行其他的冗余協議，例如RSTP。

        這里不規定拓撲結構，但允許對節點行為進行配置，以適應特定局域網的特性。注意，節點可以連接單一局域網中的相同或者不同交換機，可以包括或者不包括冗余連接，如圖9所示。雙重連接到同一個交換機僅提供節點連接失效恢復。

圖9―CRP單一局域網拓撲結構

        節點可以連接到不同的局域網，它們是失效無關的，但可以是內部連接的局域網，見圖10所示。

圖10―CRP雙局域網拓撲結構

        當僅有一個局域網時，節點是通過它的兩個端口連接到局域網的。在雙局域網配置中， 端口A通常連接到LAN_A，端口B連接到LAN_B。一個節點也可以交叉方式連接到同一個網絡樹上，如端口A到LAN_B，端口B到LAN_A，所以這種冗余稱為“交叉冗余”。

5. BRP（Beacon redundancy protocol）―― 信標冗余協議

5.1 BRP概述

        本節討論一種可以冗余所有單一節點失效的以太網協議。這種協議被稱為信標冗余協議。基于BRP協議的以太網稱為BRP網絡。BRP網絡是基于交換型ISO/IEC 8802-3（以太網）和IEEE 802.1的技術以及冗余架構。在這種網絡中，切換架構的決定由每個終節點自己做出。

5.2 網絡拓撲

        BRP網絡拓撲可以用兩個互聯的頂部交換機來描述，每個交換機做為下面星型、線型或者環型拓撲的領頭。信標終節點（beacon end node）可以直連頂部的交換機。星型、線型或者環型BRP網絡的例子分別見圖11，圖12和圖13。

圖11―BRP星型網絡

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圖12―BRP線型網絡

 
圖13―BRP環型網絡

5.3工作原理

        BRP網絡建立于2層交換機上，遵從IEEE 和IEEE 802.3標準。交換機不需要支持BRP協議。圖11表示了一個BRP星型網絡的例子，工作在兩路冗余的模式下。它使用兩套網絡架構A和B（使用不同的顏色表示）。交換機的層數和在每層的交換機個數是按應用的要求決定的。對于一個三層架構，甚至都可能構建非常大的網絡。比如，由八個普通端口和一個上行端口的交換機構建的一個BRP星型網絡，最大可以包含500個節點。頂部的兩個交換機應互聯，使用一個或者多個連接，提供足夠的帶寬。具有集合通信能力，流量在多個連接內共享，一個連接失效不會宕掉整個網絡。有了這樣的安排，架構A 和B各形成一種單一網絡。

        兩種類型的終節點可以連接到BRP網絡：雙連接終節點和單連接終節點。一個雙連接終節點可以作為一個BRP終節點或者一個BRP 信標終節點使用。一個BRP 信標終節點是一種雙連接終節點的特例，可以直接連接頂部的交換機。雖然雙連接BRP終節點具有兩個網絡端口，但它們僅使用一個MAC地址。

        在任何給定時間點，一個BRP終節點僅通過其中的一個端口進行有效通信，當這個端口阻塞時，所有的報文在另一個端口進行發送和接收，除了接收信標報文和Failure_Notify 報文。BRP終節點端口通過無效和有效切換的分布式方式實現了容錯。

        在圖11、12和13示例中，兩個信標終節點連接到頂部交換機。信標終節點周期地在網絡中多播/廣播一個短信標報文。同樣地，一個信標終節點在任何給定時間點，僅通過其中的一個端口有效地通信，當這個端口阻塞時，所有的報文會在另一個端口進行發送和接收，除了接收信標報文和Failure_Notify 報文。信標終節點端口通過無效和有效切換的分布式方式實現了容錯。

        單連接終節點也可以連接到BRP網絡，但它們不支持BRP協議。一個單連接節點可以與雙連接節點通信，和網絡上其他的單連接節點一樣。

        因為交換機是IEEE 兼容的，它們支持RSTP協議。這就消除了在BRP環型網絡中回路形成，就像圖13中所示的那樣。

5.4網絡流量的快速重新配置

        為了快速重新配置，在交換機中的多播控制特性需要失能。多播流在此就像對廣播流一樣地處理。單播包會受到交換機學習和過慮的特性影響。在終節點端口重新配置后，交換機廢棄原來的知識。交換機在執行學習時，會更新它的數據庫，當一個帶有新的源MAC地址的包被端口接收時，端口會把它存儲在數據庫中，供所有的端口共享。

        當一個BRP終節點切換到無效端口時，它的第一個動作是發送一個短多播報文，稱為 Learning_Update 報文，通過它重新使能端口。因為這個報文通過網絡傳播，交換機更新它們的MAC地址數據庫，結果完成了單播流的快速重新配置。這個報文對網絡的其他終節點沒有興趣，所以其他終節點會丟棄了它們。

6.結論

        要構建高可用性自動化網絡的用戶，應該根據生產工業的要求和現場工作的環境，來部署新建或者改造網絡，使企業能夠提高生產率，降低自動化系統的故障和為此帶來的經濟損失。本文僅做了簡單介紹，詳盡內容請參閱IEC62439標準。

（羅克韋爾自動化 華镕）