3. PRP（Parallel Redundancy Protocol）――并行冗余協(xié)議
3.1 PRP 工作原理
這種冗余協(xié)議在設(shè)備中執(zhí)行冗余。一個終節(jié)點連接到兩個獨立的、具有相似拓?fù)涞摹⒉⑿羞\行的局域網(wǎng)上。
兩個局域網(wǎng)遵循配置規(guī)則，支持網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，比如支持地址解析協(xié)議（ARP）的正確執(zhí)行。圖4顯示了一個冗余網(wǎng)絡(luò)，由兩個交換式局域網(wǎng)構(gòu)成，可以為任何的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如，樹型、環(huán)型或者網(wǎng)格。
圖 4 ―PRP 通用冗余網(wǎng)絡(luò)
兩個局域網(wǎng)的協(xié)議在MAC-LLC（介質(zhì)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?fù)涞牟煌魉脱舆t可能也不同。兩個局域網(wǎng)之間沒有直接地連接，可以假設(shè)它們是失效無關(guān)的。
一個執(zhí)行PRP雙重連接的節(jié)點（簡稱DANP）連接了兩個局域網(wǎng)，分別為LAN_A和LAN_B。單一連接的節(jié)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(wǎng)上。SAN可以只和同一個局域網(wǎng)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(wǎng)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(jìn)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(wǎng)絡(luò)，兩個線性拓?fù)涞木钟蚓W(wǎng)，也可稱為總線型拓?fù)洹?br/>
圖5―兩個總線拓?fù)渚钟蚓W(wǎng)的 PRP冗余網(wǎng)絡(luò)
兩個局域網(wǎng)可以是環(huán)形拓?fù)洌妶D6所示。
圖6―帶有SAN和DANP 的PRP冗余環(huán)
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3.2 節(jié)點結(jié)構(gòu)
每個節(jié)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(wù)：重復(fù)幀處理和冗余管理。這個層表示了向它上層的網(wǎng)絡(luò)適配器與非冗余的適配器有同樣的接口。
當(dāng)接收到來自上層節(jié)點的幀時，LRE通過它的兩個端口，幾乎同時地發(fā)送幀。兩個幀通過兩個局域網(wǎng)有不同的延時，理想情況下，它們可以同時到達(dá)目的節(jié)點。
當(dāng)接收來自網(wǎng)絡(luò)的幀時，LRE把第一達(dá)到的幀轉(zhuǎn)發(fā)到上層節(jié)點，放棄重復(fù)幀（如果到達(dá)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(fù)的跟蹤。另外，LRE周期地發(fā)送PRP_Supervision幀，并且評估其他DANP的PRP_Supervision幀。
3.3 單連接節(jié)點和雙連接節(jié)點的兼容
單連接節(jié)點（SAN），比如：維護(hù)膝上機或者打印機，可以連接到任何局域網(wǎng)。連接到一個局域網(wǎng)的SAN不能與連接到其他局域網(wǎng)中的SAN直接通信。交換機就是一種SAN，這些SAN不關(guān)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(qū)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(zhuǎn)發(fā)一幅幀到它們的上層，因為SAN報文僅在一個局域網(wǎng)中使用。一個DANP不能正確識別遠(yuǎn)程設(shè)備是一個DANP，它認(rèn)為它是一個SAN。
3.4 網(wǎng)絡(luò)管理
一個節(jié)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(xié)議（ARP）可以和一個SAN以同樣的方式工作。
在局域網(wǎng)中的交換機不是雙重連接設(shè)備，并且，所有管理型交換機有不同的IP地址。某種網(wǎng)絡(luò)管理工具更適于DANP，它能夠訪問這些節(jié)點與交換機，好像它們都屬于同一個網(wǎng)絡(luò)。特別地，對DANP執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理時，可以看見連到局域網(wǎng)中的所有SAN。
4 CRP（Cross-network Redundancy Protocol）―― 交叉冗余協(xié)議
4.1 CRP概述
這部分描述一種在終節(jié)點中執(zhí)行的冗余協(xié)議，與在交換機中建立的冗余協(xié)議相反。沒有中央的“冗余管理器”；取而代之的是：每個節(jié)點自主運行。
4.2 CRP節(jié)點
現(xiàn)場已經(jīng)存在了不同類型的節(jié)點，可以在同一個網(wǎng)絡(luò)上相互操作：
? 執(zhí)行CRP協(xié)議的雙連接節(jié)點（簡稱DANC），有兩個端口用于冗余目的；
? 執(zhí)行CRP協(xié)議的單連接節(jié)點（簡稱SANC），僅有一個端口；
? 單連接節(jié)點SAN，諸如商用膝上機或者文件服務(wù)器，它們不理會CRP協(xié)議。即便這樣，SAN也具有訪問冗余管理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)監(jiān)視和網(wǎng)絡(luò)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(zhí)行方法沒有規(guī)定，只是從概念上定義在通信棧中，低于網(wǎng)絡(luò)層，如圖8所示。
圖8―CRP棧結(jié)構(gòu)
這種安排提供了應(yīng)用層的透明度。LRE從上層隱藏了冗余和管理端口。因此，節(jié)點可以使用一個IP地址運行。
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4.3 CRP 局域網(wǎng)拓?fù)?/strong>
在DANC內(nèi)執(zhí)行冗余協(xié)議使得拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有多樣性和廣泛性，使用的交換機不用關(guān)心冗余協(xié)議，并且可以執(zhí)行其他的冗余協(xié)議，例如RSTP。
這里不規(guī)定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但允許對節(jié)點行為進(jìn)行配置，以適應(yīng)特定局域網(wǎng)的特性。注意，節(jié)點可以連接單一局域網(wǎng)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(jié)點連接失效恢復(fù)。
圖9―CRP單一局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
節(jié)點可以連接到不同的局域網(wǎng)，它們是失效無關(guān)的，但可以是內(nèi)部連接的局域網(wǎng)，見圖10所示。
圖10―CRP雙局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
當(dāng)僅有一個局域網(wǎng)時，節(jié)點是通過它的兩個端口連接到局域網(wǎng)的。在雙局域網(wǎng)配置中， 端口A通常連接到LAN_A，端口B連接到LAN_B。一個節(jié)點也可以交叉方式連接到同一個網(wǎng)絡(luò)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(biāo)冗余協(xié)議
5.1 BRP概述
本節(jié)討論一種可以冗余所有單一節(jié)點失效的以太網(wǎng)協(xié)議。這種協(xié)議被稱為信標(biāo)冗余協(xié)議。基于BRP協(xié)議的以太網(wǎng)稱為BRP網(wǎng)絡(luò)。BRP網(wǎng)絡(luò)是基于交換型ISO/IEC 8802-3（以太網(wǎng)）和IEEE 802.1的技術(shù)以及冗余架構(gòu)。在這種網(wǎng)絡(luò)中，切換架構(gòu)的決定由每個終節(jié)點自己做出。
5.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>
BRP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢杂脙蓚€互聯(lián)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(huán)型拓?fù)涞念I(lǐng)頭。信標(biāo)終節(jié)點（beacon end node）可以直連頂部的交換機。星型、線型或者環(huán)型BRP網(wǎng)絡(luò)的例子分別見圖11，圖12和圖13。
圖11―BRP星型網(wǎng)絡(luò)
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圖12―BRP線型網(wǎng)絡(luò)
圖13―BRP環(huán)型網(wǎng)絡(luò)
5.3工作原理
BRP網(wǎng)絡(luò)建立于2層交換機上，遵從IEEE 和IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)。交換機不需要支持BRP協(xié)議。圖11表示了一個BRP星型網(wǎng)絡(luò)的例子，工作在兩路冗余的模式下。它使用兩套網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)A和B（使用不同的顏色表示）。交換機的層數(shù)和在每層的交換機個數(shù)是按應(yīng)用的要求決定的。對于一個三層架構(gòu)，甚至都可能構(gòu)建非常大的網(wǎng)絡(luò)。比如，由八個普通端口和一個上行端口的交換機構(gòu)建的一個BRP星型網(wǎng)絡(luò)，最大可以包含500個節(jié)點。頂部的兩個交換機應(yīng)互聯(lián)，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(nèi)共享，一個連接失效不會宕掉整個網(wǎng)絡(luò)。有了這樣的安排，架構(gòu)A 和B各形成一種單一網(wǎng)絡(luò)。
兩種類型的終節(jié)點可以連接到BRP網(wǎng)絡(luò)：雙連接終節(jié)點和單連接終節(jié)點。一個雙連接終節(jié)點可以作為一個BRP終節(jié)點或者一個BRP 信標(biāo)終節(jié)點使用。一個BRP 信標(biāo)終節(jié)點是一種雙連接終節(jié)點的特例，可以直接連接頂部的交換機。雖然雙連接BRP終節(jié)點具有兩個網(wǎng)絡(luò)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(jié)點僅通過其中的一個端口進(jìn)行有效通信，當(dāng)這個端口阻塞時，所有的報文在另一個端口進(jìn)行發(fā)送和接收，除了接收信標(biāo)報文和Failure_Notify 報文。BRP終節(jié)點端口通過無效和有效切換的分布式方式實現(xiàn)了容錯。
在圖11、12和13示例中，兩個信標(biāo)終節(jié)點連接到頂部交換機。信標(biāo)終節(jié)點周期地在網(wǎng)絡(luò)中多播/廣播一個短信標(biāo)報文。同樣地，一個信標(biāo)終節(jié)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(dāng)這個端口阻塞時，所有的報文會在另一個端口進(jìn)行發(fā)送和接收，除了接收信標(biāo)報文和Failure_Notify 報文。信標(biāo)終節(jié)點端口通過無效和有效切換的分布式方式實現(xiàn)了容錯。
單連接終節(jié)點也可以連接到BRP網(wǎng)絡(luò)，但它們不支持BRP協(xié)議。一個單連接節(jié)點可以與雙連接節(jié)點通信，和網(wǎng)絡(luò)上其他的單連接節(jié)點一樣。
因為交換機是IEEE 兼容的，它們支持RSTP協(xié)議。這就消除了在BRP環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中回路形成，就像圖13中所示的那樣。
5.4網(wǎng)絡(luò)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(xué)習(xí)和過慮的特性影響。在終節(jié)點端口重新配置后，交換機廢棄原來的知識。交換機在執(zhí)行學(xué)習(xí)時，會更新它的數(shù)據(jù)庫，當(dāng)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(shù)據(jù)庫中，供所有的端口共享。
當(dāng)一個BRP終節(jié)點切換到無效端口時，它的第一個動作是發(fā)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(wǎng)絡(luò)傳播，交換機更新它們的MAC地址數(shù)據(jù)庫，結(jié)果完成了單播流的快速重新配置。這個報文對網(wǎng)絡(luò)的其他終節(jié)點沒有興趣，所以其他終節(jié)點會丟棄了它們。
6.結(jié)論
要構(gòu)建高可用性自動化網(wǎng)絡(luò)的用戶，應(yīng)該根據(jù)生產(chǎn)工業(yè)的要求和現(xiàn)場工作的環(huán)境，來部署新建或者改造網(wǎng)絡(luò)，使企業(yè)能夠提高生產(chǎn)率，降低自動化系統(tǒng)的故障和為此帶來的經(jīng)濟(jì)損失。本文僅做了簡單介紹，詳盡內(nèi)容請參閱IEC62439標(biāo)準(zhǔn)。
（羅克韋爾自動化 華镕）
