Parallel Redundancy Protocol (PRP)

Obwohl ein schneller MRP-Ring sehr viele Anforderungen abdecken kann, gibt es immer noch Anwendungen, die überhaupt keine Umschaltzeit tolerieren können.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, müssen wir die Frage der garantierten hohen Verfügbarkeit auf völlig neue Weise angehen. Die Grundlage dieses neuen Ansatzes zur Netzwerkredundanz besteht darin, über zwei unabhängige aktive Pfade zwischen zwei Geräten zu verfügen. Der Absender nutzt zwei unabhängige Netzwerkschnittstellen, die dieselben Daten gleichzeitig übertragen. Das Protokoll zur Redundanzüberwachung kann dann sicherstellen, dass der Empfänger nur das erste Datenpaket nutzt und das zweite verwirft. Wenn nur ein Paket erhalten wird, weiß der Empfänger, dass auf dem anderen Pfad ein Fehler stattgefunden hat. Dieses Prinzip wird vom Parallel Redundancy Protokoll (PRP) verwendet, welches in der IEC-Norm 62439-3 beschrieben ist. PRP nutzt zwei unabhängige Netzwerke mit beliebiger Topologie und ist nicht auf Ringnetzwerke beschränkt.

Bei den beiden unabhängigen parallelen Netzwerken kann es sich um MRP-Ringe, RSTP-Netzwerke und sogar um Netzwerke ohne jegliche Redundanz handeln. Der Hauptvorteil von PRP sind die unterbrechungsfreien Umschaltungen, die bei Ausfällen keinerlei Zeit in Anspruch nehmen und somit die höchstmögliche Verfügbarkeit bieten. Dies gilt natürlich nur, wenn nicht beide Netze gleichzeitig ausfallen.

PRP ist in Endgeräte implementiert, während es sich bei den Switches in den Netzwerken um Standard-Switches handelt, die nichts von PRP wissen.

Ein Endgerät mit PRP-Funktionalität wird als Double Attached Node for PRP (DAN P) bezeichnet und verfügt über eine Verbindung zu jedem der beiden unabhängigen Netzwerke. Diese beiden Netzwerke können über die gleiche Struktur verfügen oder sich möglicherweise in ihrer Topologie und/oder Leistung unterscheiden. Ein Standardgerät mit einer einzigen Netzwerkschnittstelle (Single Attached Node, SAN) kann direkt mit einem der beiden Netzwerke verbunden werden. In dieser Konfiguration verfügt das Gerät nicht über einen redundanten Pfad für den Fall eines Ausfalls.

Ein SAN kann alternativ mit einer Redundanzbox (RedBox) verbunden werden, die ein oder mehrere SANs mit beiden Netzwerken verbindet. SANs müssen nichts über PRP wissen, sie können Standardgeräte sein. In vielen Anwendungen benötigen nur kritische Geräte eine doppelte Netzwerkschnittstelle, und weniger wichtige Geräte können als SANs angeschlossen werden, mit oder ohne Redundanzbox.

Netzwerk mit parallelem Redundanzprotokoll

Eine Implementierung von DAN P steuert die Redundanz und geht mit Duplikaten um.

Wenn die oberen Schichten ein Paket zur Übertragung erhalten, sendet die PRP-Einheit diesen Frame über beide Ports gleichzeitig an das Netzwerk. Wenn diese beiden Frames die beiden unabhängigen Netzwerke durchlaufen, werden sie auf ihrem Weg zum Empfänger normalerweise verschiedenen Verzögerungen ausgesetzt sein. Am Bestimmungsort leitet die PRP-Einheit das erste ankommende Paket an die oberen Schichten weiter, d. h. an die Anwendung, und verwirft das zweite Paket. Die Schnittstelle zur Anwendung ist also identisch mit jeder anderen Ethernet-Netzwerkschnittstelle.

Die Redundanzbox implementiert das PRP-Protokoll für alle angeschlossenen SANs und fungiert somit als eine Art Redundanz-Proxy für alle Arten von Standardgeräten. Duplikate werden anhand der Redundancy Control Trailer (RCT) erkannt, die von einer PRP-Verbindung oder RedBox in jeden Frame eingefügt werden. Zusätzlich zu einer Netzwerkkennung (LAN A oder B) und der Länge der im Frame enthaltenen Benutzerdaten enthalten diese 32-Bit-Identifikationsfelder auch eine laufende Nummer, die für jeden von einem Knoten gesendeten Frame inkrementiert wird.

Eine RedBox- oder DAN P Verbindung kann somit anhand der in jedem Frame enthaltenen, klar identifizierbaren Merkmale (physische MAC-Quelladresse und laufende Nummer) Duplikate erkennen und diese gegebenenfalls verwerfen. Da der RCT am Ende des Frames eingefügt wird, kann der gesamte Protokollverkehr weiterhin von SANs gelesen werden, welche die RCT lediglich als zusätzliche Füllung ohne Bedeutung interpretieren. Das bedeutet, dass ein SAN, das direkt mit einem PRP-Netzwerk verbunden ist, d. h. ohne RedBox, mit allen DAN Ps und mit allen SANs im selben Netzwerk (sowohl A als auch B) kommunizieren kann. Es fehlen nur Verbindungen zu den Knoten des anderen Netzwerks, denn ein DAN P leitet keine Frames von einem LAN zum anderen weiter. PRP-Umschaltzeiten erfüllen die allerhöchsten Ansprüche, und es ist auch extrem flexibel, was die Netzwerkstruktur und mögliche Topologien angeht, aber es benötigt immer die doppelte installierte Infrastruktur an Switches und anderen Netzwerkkomponenten.