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HSR与PRP是专注于解决高可靠性自动化网络传输的技术，其所属的国际标准为IEC 62439。最初，IEC发布此项标准主要目的是为了满足IEC 61850-5中所提到的变电站自动化应用中各通信组件或服务故障所要求的恢复时间问题，但协议设计时的通用性，使得这两项协议能不仅仅适用于变电站的应用场景下，而是成为一项工业网络中的通用解决方案。 该标准在2016年经过第三次修订后，终于在2021年完成了第四次修订。其变更的内容简要概述如下： •　对精确时间协议(PTP) IEC 61588:2021的引用取代了对IEC 61588:2009的引用 •　RedBoxes和QuadBoxes规范扩展到TC •　PTP over PRP指定了DATC和SLTC RedBoxes的统一操作 •　扩展PTP的行业概况 •　同步消息填充以支持媒体转换器 •　增加HSR中的RSTP支持 关于最新版本的更多信息，可以到 协议的官网 查看。 随着该标准最新第四版的发布，我们对HSR/PRP交换机IP核和网管冗余交换机IP核进行升级并支持更多新功能，其中包括HSR（模式R）中的RSTP支持等。 如第四版所述，DANH应可在以下模式中运行，这些模式应在运行时使用管理命令进行更改：模式H、M、N、R、T、U 和 X。关于模式H，这是一个强制性的默认模式。在此模式下，DANH应代表其主机插入HSR标签并转发环流量，但不包括节点自身发送的帧、重复帧和节点是唯一目的地的帧。这是DANH的预期操作模式。 关于模式R，这是RedBoxes的可选模式。在这种模式下，Redbox能够接收BPDU，在连接到RSTP网桥时对其进行封装和解封装。从这个意义上说，虹科HSR/PRP IP核支持根据模式R将RSTPLAN连接到HSR设备。这种机制让RedBoxes交换它们从RSTP网桥接收的BPDU，以允许网桥通过HSR检测其拓扑环。 虹科联合RELYUM推出的这款HSR/PRP交换机IP核是一个完整的硬件解决方案，可以在低成本FPGA上实现 ，是用于能源市场设备的灵活解决方案，可连接到HSR环、PRP局域网或IEC 61850中用作网桥。 非冗余网络VS 零切换可靠网络的3端口参考 而网管冗余交换机（MR S）IP核则是HSR/PRP交换机（HP S）和网管以太网交换机（ME S）IP核的组合，可提供冗余以太网交换机功能。MES模块是一个非阻塞交叉矩阵，允许在所有端口之间进行连续传输。它实现了存储转发交换方法，以便在转发每个帧之前满足有关帧完整性检查的以太网标准策略。另一方面，HPS模块在所需的端口中引入了HSR和PRP冗余功能。HSR切换方法是Cut-Through。因此，由MES和HPS组合而成的MRS可提供最大的性能和与标准的最大兼容性。 虹科在传统现场总线及工业以太网领域深耕多年，并积极关注行业发展前沿， 推出一系列支持实时流量、冗余、高数据吞吐量和复杂的网络安全机制的TSN、HSR、PRP等新一代以太网技术 ，积极推动工业、能源、汽车等领域的以太网融合并已应用于铁路、工业4.0智慧工厂、航空航天等产品和项目中。若您想要获取更多信息，欢迎联系虹科！

目前，各个行业正在朝着以太网发展。近年来出现了一些技术创新，以增强标准以太网的弹性，并将其用作OT和IT的通用链路层。在具有高可用性和严格时序要求的关键领域，如电气领域，这些技术创新得到了发展。 一、以太网 目前大多数工业网络都是基于以太网的，自1983年以太网标准化以来，无论是从技术角度还是从应用角度来看，它都在不断发展中。计算机网络的最初用途已扩展为工业现场总线（PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、SercosIII等）、航空航天（AFDX）、能源（IEC61850）、汽车（确定性以太网）和运输。 变电站保护、自动化和控制系统 (PACS) 等关键系统可以从以太网技术中受益，前提是它可以确保在网络故障的情况下不会丢失帧、有效集成准确的时序同步方案、供应商之间的互操作性以及一些基本的实时操作能力。从这个意义上说， IEC 组织开展了一项非常有价值的标准化工作，发布了 IEC62349-3 “工业通信网络——高可用性自动化网络”，并开发和发布能够在这些冗余环境中运行的精确时间协议 IEEE 1588 的特定配置文件。 二、高可用性以太网 该标准IEC62349-3的第5部分和第4部分分别定义了高可用性无缝冗余(HSR)协议和并行冗余协议(PRP)。两者都提供零延迟恢复时间和以太网网络上的无帧丢失。HSR面向以太网环形拓扑，它确保帧传送时间的已知最坏情况。PRP与两个独立的旧式以太网网络一起工作，它不适合在实时场景中工作。事实上，PRP、HSR和PTP可以结合起来支持时间感知网络。 三、精确时间协议（PTP） 工 业控制系统对亚微秒级同步的要求越来越高。 作为在行业中引入这种组合方法（可靠以太网与 IEEE 1588 相结合）的示例， IEC 智能电网战略组建议采用 IEEE 1588-2008 标准中定义的 PTP ，用于变电站中的高精度时间同步。 PTP 直接通过以太网在变电站网络中分配绝对时间，实现纳秒范围内的同步精度。 PTP 系统遵循主从层次结构，其中主设备施加时间，从设备在相位和频率上与其同步。 传播延迟由从站自动补偿，为了考虑网络节点引入的延迟，必须在中间节点中添加透明时钟 (TC) 功能。 因此，网络中的所有交换机都应支持TC操作，以纠正被交换的PTP帧，以免失去预期的准确性。典型的PTP网络由分隔不同时钟区域的PTP边界时钟设备和能够作为主设备和从设备工作的PTP普通时钟完成。 除了在电力领域的广泛使用之外，IEEE 1588更常见于其他场景。例如，一些目标应用是用于天然气和石油的分布式传感器数据采集、确定性以太网的时间参考、电机驱动器的相位和频率同步或从航空航天和国防中的DAU进行分布式数据采集。 四、HSR/PRP网络无缝合并解决方案 在实时部分和非实时部分中需要完全冗余路径的关键基础设施可以从PRP和HSR网络的结合中受益。 PRP 由两个标准以太网组成，支持 PRP 的设备负责通过两个 LAN 网络发送和接收重复帧。 这种方法非常 适合重用常规以太网基础设施，但它缺乏任何机制来确保给定帧的最坏情况下的交付时间。 HSR 允许计算此参数。 因此，它是一种标准化和可互操作的解决方案，适用于面向控制的通信。 例如， IEC 61850 变电站的典型零延迟恢复时间拓扑基于在站总线部分实施 PRP ，在过程总线区域实施 HSR 环。 PRP 网络与 HSR 环的连接必须通过两个不同的点来完成，避免前面提到的 SPOF 。 IEC62349-3 标准定义了进行互连的设备的行为方式。 具体来说，当帧通过一个网络到达另一个网络时，它们需要支持 HSR/PRP 模式以正确管理序列号字段。 从集成商的角度来看，一种选择是组合和配置支持 PRP-HSR 的独立 RedBox 设备，支持能够处理（组合）冗余的 IEE E1588 配置文件。 使用RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe解决方案合并HSR和PRP网络 在航空先进制造中心工厂（CFAA）中实施的另一种替代方案是使用插入两台工业PC计算机的两个RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe卡。这种设置由于这些设备支持的PRP-to-HSR特殊模式，允许将PRP部分与工厂中的HSR互连。对于此设置，HSR环是光纤，而PRP网络是GbE铜介质。每个PRP分支都连接到以太网输入，该输入通常用于连接RedBox操作中的标准LAN。配置只需几分钟且只需一次：操作员连接到嵌入在PCIe卡中的Web应用程序并选择PRP-HSR操作。 RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe卡插入PC服务器 嵌入式基于web的配置工具 五、总结 本文结合PTP总结了高可用性协议HSR和PRP的概念，并介绍了 可无缝集成到任何工业计算机中的 虹科 即用型PCIe产品。 文章提出的方案解决了高可用性以太网网络集成商的需求：实现PRP和HSR网络的简单互连。 由于RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe上嵌入了DAN和RedBox的双重功能，它无需额外的中间RedBox外部设备，并重用现有网关或PCSCADA系统来管理数据包处理。 虹科为电网、轨道交通等领域提供关键系统中的网络、同步和网络安全的创新解决方案。若您想要了解更多信息，欢迎联系虹科

目前，各个行业正在朝着以太网发展。近年来出现了一些技术创新，以增强标准以太网的弹性，并将其用作OT和IT的通用链路层。在具有高可用性和严格时序要求的关键领域，如电气领域，这些技术创新得到了发展。 一、以太网 目前大多数工业网络都是基于以太网的，自1983年以太网标准化以来，无论是从技术角度还是从应用角度来看，它都在不断发展中。计算机网络的最初用途已扩展为工业现场总线（PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、SercosIII等）、航空航天（AFDX）、能源（IEC61850）、汽车（确定性以太网）和运输。 变电站保护、自动化和控制系统 (PACS) 等关键系统可以从以太网技术中受益，前提是它可以确保在网络故障的情况下不会丢失帧、有效集成准确的时序同步方案、供应商之间的互操作性以及一些基本的实时操作能力。从这个意义上说， IEC 组织开展了一项非常有价值的标准化工作，发布了 IEC62349-3 “工业通信网络——高可用性自动化网络”，并开发和发布能够在这些冗余环境中运行的精确时间协议 IEEE 1588 的特定配置文件。 二、高可用性以太网 该标准IEC62349-3的第5部分和第4部分分别定义了高可用性无缝冗余(HSR)协议和并行冗余协议(PRP)。两者都提供零延迟恢复时间和以太网网络上的无帧丢失。HSR面向以太网环形拓扑，它确保帧传送时间的已知最坏情况。PRP与两个独立的旧式以太网网络一起工作，它不适合在实时场景中工作。事实上，PRP、HSR和PTP可以结合起来支持时间感知网络。 三、精确时间协议（PTP） 工 业控制系统对亚微秒级同步的要求越来越高。 作为在行业中引入这种组合方法（可靠以太网与 IEEE 1588 相结合）的示例， IEC 智能电网战略组建议采用 IEEE 1588-2008 标准中定义的 PTP ，用于变电站中的高精度时间同步。 PTP 直接通过以太网在变电站网络中分配绝对时间，实现纳秒范围内的同步精度。 PTP 系统遵循主从层次结构，其中主设备施加时间，从设备在相位和频率上与其同步。 传播延迟由从站自动补偿，为了考虑网络节点引入的延迟，必须在中间节点中添加透明时钟 (TC) 功能。 因此，网络中的所有交换机都应支持TC操作，以纠正被交换的PTP帧，以免失去预期的准确性。典型的PTP网络由分隔不同时钟区域的PTP边界时钟设备和能够作为主设备和从设备工作的PTP普通时钟完成。 除了在电力领域的广泛使用之外，IEEE 1588更常见于其他场景。例如，一些目标应用是用于天然气和石油的分布式传感器数据采集、确定性以太网的时间参考、电机驱动器的相位和频率同步或从航空航天和国防中的DAU进行分布式数据采集。 四、虹科HSR/PRP网络无缝合并解决方案 在实时部分和非实时部分中需要完全冗余路径的关键基础设施可以从PRP和HSR网络的结合中受益。 PRP 由两个标准以太网组成，支持 PRP 的设备负责通过两个 LAN 网络发送和接收重复帧。 这种方法非常 适合重用常规以太网基础设施，但它缺乏任何机制来确保给定帧的最坏情况下的交付时间。 HSR 允许计算此参数。 因此，它是一种标准化和可互操作的解决方案，适用于面向控制的通信。 例如， IEC 61850 变电站的典型零延迟恢复时间拓扑基于在站总线部分实施 PRP ，在过程总线区域实施 HSR 环。 PRP 网络与 HSR 环的连接必须通过两个不同的点来完成，避免前面提到的 SPOF 。 IEC62349-3 标准定义了进行互连的设备的行为方式。 具体来说，当帧通过一个网络到达另一个网络时，它们需要支持 HSR/PRP 模式以正确管理序列号字段。 从集成商的角度来看，一种选择是组合和配置支持 PRP-HSR 的独立 RedBox 设备，支持能够处理（组合）冗余的 IEE E1588 配置文件。 使用RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe解决方案合并HSR和PRP网络 在航空先进制造中心工厂（CFAA）中实施的另一种替代方案是使用插入两台工业PC计算机的两个RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe卡。这种设置由于这些设备支持的PRP-to-HSR特殊模式，允许将PRP部分与工厂中的HSR互连。对于此设置，HSR环是光纤，而PRP网络是GbE铜介质。每个PRP分支都连接到以太网输入，该输入通常用于连接RedBox操作中的标准LAN。配置只需几分钟且只需一次：操作员连接到嵌入在PCIe卡中的Web应用程序并选择PRP-HSR操作。 虹科RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe卡插入PC服务器 虹科嵌入式基于web的配置工具 五、总结 本文结合PTP总结了高可用性协议HSR和PRP的概念，并介绍了 可无缝集成到任何工业计算机中的 虹科 即用型PCIe产品。 文章提出的方案解决了高可用性以太网网络集成商的需求：实现PRP和HSR网络的简单互连。 由于RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe上嵌入了DAN和RedBox的双重功能，它无需额外的中间RedBox外部设备，并重用现有网关或PCSCADA系统来管理数据包处理。 虹科为电网、轨道交通等领域提供关键系统中的网络、同步和网络安全的创新解决方案。

为了保障电力系统的稳定运行，西班牙国家发电厂和输电局（ UTE ）需要使用标准工具记录和监控 HSR/RPR 网络的流量。虹科 RELY-REC 是一种时间感知解决方案，可用于支持高可用性以太网、智能记录和过滤的持续监控。 案例背景 现代自动化系统的复杂性不仅需要在设备投入使用之前进行调试，还需要持续监控。因为如果发生意外情况，这种方法可以进行有效的取证分析，并基于大数据分析实现高级预防性维护。 IEC 61850 变电站自动化标准中引入使用高可用性网络和亚微秒同步的新技术，如 HSR/PRP 和 PTP ，有利于提高公共事业公司的服务质量。然而，这种先进的数字化水平也带来了新的技术挑战，需要为连续和分布式监控提供全面的手段。 西班牙国家发电厂和输电局 (UTE) 需要 为 36,000 多个配电变电站提供超过 4000 MVA 的电力。为了保障电力系统的稳定运行，技术人员需要使用标准工具记录和监控 HSR/RPR 网络的流量，并且是基于可远程访问的系统，以免影响网络性能。 困难与挑战 首先，必须考虑到，在 PTP (IEEE 1588) 同步电力系统中，需要在整个系统使用的同一亚微秒时间参考内关联所有正在分析的信息。该时间参考在合并单元、 IED 、远程变电站甚至更高级的智能电网之间共享。 其次，在这些数字环境中， GOOSE 或 SMV 等实时控制消息通过以太网进行数字传输，更频繁地通过零延迟恢复时间冗余以太网解决方案进行传输。 为了应对这些挑战，从系统的角度来看，有必要为基于简单以太网、 PRP 和 HSR 网络的持续监控设计配置建议。这些设置应该允许网络流量分析，以实现系统验证和网络评估。 下方图 a) 、 b) 和 c) 分别描绘了标准以太网、 PRP 和 HSR 网络的时间感知监控设置。 图a) 图b) 图c) 虹科时间感知解决方案 虹科 RELY-REC 时间感知记录器是一种能够充分满足客户需求的时间感知解决方案，可用于支持高可用性以太网、智能记录和过滤的持续监控。当任何该设备运行时，允许通过专用通信链路从远程位置进行读取和配置访问。每个 RELY-REC 记录设备可以根据所需设置的复杂性分配一个或多个 RELY-REC 单元。 配置工具允许设置所有与网络相关的功能，包括触发和过滤选项。因此，设备能够选择特定的流量，例如要记录的 GOOSE 或 PTP 。过滤和数据存储文件格式都与 PCAP 兼容，并且可以轻松定义。远程 PC 单元能够实时访问正在记录在设备中的流量，并且事件同时将所选文件传输到 PC 。对于基本的流量分析，可以使用众所周知的 Wireshark 工具。 IEEE 1588 时间戳应用于帧，它以 Wireshark 工具能够管理和表示的方式完成。此外，用于分析 GOOSE 完整性或网络性能的高级测试工具无缝集成到设备的功能中。 此外，虹科还推出了可用于检查、标识和记录常规以太网和时间敏感网络流量的记录仪——虹科 RELY-TSN-REC​ 。 总结 本案例充分说明了 RELY-REC 如何在复杂的零丢包网络中使用 IEEE 1588 时间戳实现流量记录。该设备允许远程配置系统并实时检索流量，使用标准过滤和分析工具，并显著降低取证和监控活动的成本。 虹科 RELY-REC 的关键特性 • GOOSE 完整性或网络性能是无缝的 • 本地工业存储介质，可远程访问所需信息 • 检查活动的高级过滤 • 允许与第三方应用程序进行数据集成

在本篇文章中，我们 将 展示 两 种 可在 FPGA 上实现的 COTS IEC 62439-3 交换机 IP 核的延迟 的 比较。第一 种 是 混合使用 直通交换 和 存储 - 转发 交换 架构，第二 种则 是仅基于 存储 - 转发 交换 技术。 可靠的以太网技术—— HSR&PRP 如今， 可靠的以太网网络正在获得许多工业自动化应用的认可。这种演变的一个 有力证据是 国际电工委员会采用了基于 高可 靠 性无缝冗余 (HSR) 以太网的协议和用于变电站自动化的 并行冗余协议 (PRP) （ IEC 62439-3 第 5 和 4 条）。 这 两种协议都提供 零切换延迟时间 ， 在故障情况下不丢失帧， 并被当作 在第 2 层进行网络监督的强大手段 。 图： H SR 单播 流量环 配置示例 HSR 帧与传统 的以太网基础设施不兼容 ，而 PRP 则 允许通过两个传统的以太网网络 发送重 复帧。因此， PRP 的应用领域 更为 广泛，尽管它并不是专门为 “ 实 时 ” 以太网环境设计的。 “实时”意味着在信号发生后的可预测时间内对其进行响应。例如，现代数字控制回路需要低于 10µs 的反应时间。最新的基于以太网的控制协议如 Ethe rCAT 或 Sercos III 等往往基于硬件来实现 可预测的同步行为和极低的延迟时间。 Ÿ HSR 旨在满足为 Process Bus 设置的严格通信要求。 HSR 将每个间隔层中的智能电子设备 (IED) 互连。 Ÿ PRP 适用于 Station 和 Inter-Bay Buses 。由于该协议的灵活性，它可以连接许多异构设备。 为了保持通信中的冗余， PRP 和 HSR 网络之间的互连是使用冗余网关执行的。每个 HSR 链路使用两个网关设备连接到每个 PRP LAN 。因此，避免了潜在的 “ 单点故障 ” 问题 。 图：通过 H SR 和 P RP 的变电站网络通信 直通与存储 - 转发 直通和存储转发 L2 交换机都基于数据包的目标 MAC 地址做出转发决策。它们之间的主要区别是： —存储转发交换机在收到整个数据包后做出决定。 —直通交换机在分析目标 MAC 地址后做出转发决定，该地址位于帧的第一部分。 在存储转发交换机中，延迟时间包括接收整个 帧 所需的时间。因此，与直通交换 相比，延迟时间更长。 转发延迟时间 在 Xilinx FPGA 上 的 虹科 HSR-PRP IP 内核中实现这两种方法（一种混合直通和 存储 转发 ，另一种 是 纯 存储转发 ），结果如下： 混合 直通 和存储转发 延迟 存储转发延迟 因此，可以 说虹科 HSR-PRP IP 核实现了专为 PRP 和 HSR 协议设计的交换架构。 理论上的最小延迟时间是通过考虑以太网帧的强制字段来计算的，这意味着必须对这些字段进行分析以做出 交换决策 。在这种情况下，在 直通 中，时间与帧长度无关，因此它将是恒定的。 在纯存储转发方法的情况下，在开始重传之前需要存储整个帧，因此延迟取决于 帧 长度。可以看出，它比优化的 直通 交换架构大一个数量级。 结论 分析表明，将 直通 与 存储转发 方法相结合的定制架构在任何情况下都能提供最佳的延迟 时间。 FPGA 在这些新协议中的作用至关重要。一方面，它们 允许低 延迟、灵活和 可 扩展的解决方案来满足这些标准中设定的严格要求。另一方面，当工业制造商 结合 新 协议 和特定协议 为 市场提供设备时， F PGA 能够 减少上市时间和风险。