标签: 高可靠性无缝冗余协议

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。