Реализация отказоустойчивой сети связи
В статье рассматриваются принципы построения коммуникационных сетей промышленного назначения на базе протоколов с бесшовным и параллельным резервированием в соответствии со стандартом IEC 62439, которые позволяют повысить надежность сети. Описывается эффективное решение для Ethernet-коммутатора для промышленных сетей с резервированием на базе ПЛИС Altera. Статья представляет собой перевод
Сетевые коммуникации для интеллектуальных электросетей должны обладать высокой степенью надежности и детерминированности. Поскольку такие сети должны быть стойкими к отказам на уровне узла, канала или отдельной точки, для реализации этих сетей группа стандартизации IEC учредила стандарт IEC 62439, подтверждающий степень отказоустойчивости и надежности сети связи. Множество новых решений на базе интеллектуальных сетей, в частности для автоматизированного оборудования передающих и распределительных подстанций, обеспечивает двухточечную связь с помощью совместимых с IEC 61850 интеллектуальных электронных устройств, например промышленных коммутаторов и реле защиты. IEC 61850 через Ethernet быстро становится основным стандартом для построения коммуникационного оборудования подстанций и систем автоматики. Однако стандарт IEC61850 не ограни- чивается приложениями для интеллектуальных сетей, а используется везде, где возможные остановки или простои производства снижают его эффективность. Чтобы обеспечить отказоустойчивые коммуникации, необходимы надежные сетевые топологии с бесшов- ным и параллельным резервировани- ем на базе протокола точного времени (precision time protocol, PTP) для син- хронизации часов по компьютерной сети. Примерами таких сетей являются автоматизированные системы управле- ния производством.
Коммуникационные топологии на базе стандарта IEC 62439
На рисунке 1 представлена схема реализации протокола параллельного резервирования (Parallel Redundancy Protocol, PRP), который описан в разделе 4 стандарта IEC 62439. Предполагается, что две сети являются независимыми с точки зрения возникновения отказов. Узел назначения всегда принимает, по крайней мере, один пакет при условии работы хотя бы одной из двух сетей. Узел назначения должен обнаруживать дублирование пакетов и исключать второй пакет при его появлении, гарантируя доставку только одного пакета с исходным содержимым. Это обеспечивает нулевое время восстановления в случае одиночного отказа, в результате чего исключается потеря кадров. Недостатком протокола PRP является то, что стоимость сети удваивается по сравнению с одиночной сетью без резервирования. Это делает его более дорогим в реализации, чем другие протоколы с резервированием, которые мы рассмотрим далее. На рисунке 2 представлена схема протокола бесшовного резервирования (High-Availability Seamless Redundancy, HSR), который описан в разделе 5 стандарта IEC 62439. Типовой топологией HSR-сети является кольцо. Узел-источник дублирует все отправляемые кадры и пересылает их в пункт назначения с помощью двух разных каналов. Если один из каналов прерывается из-за отказа в канале или узле, кадры обязательно достигают пункта назначения. Конечные узлы имеют два внешних порта Ethernet для подключения к одному кольцу HSR. Они могут также иметь один или более дополнительных Ethernet-портов, чтобы, например, обеспечить доступ к сети для сервисного обслуживания. При пересылке кадров конечный узел отправляет в сеть две копии каждого кадра, по одному в каждом направлении кольца. При приеме кадра узлы соглашаются на прием первой копии и отказываются от приема второй копии, исключая, таким образом, дублирование кадров. Примерами конечных сетевых узлов являются интеллектуальные датчики, видеокамеры и системы автоматики подстанций, объединяющие устройства. RedBox (от Redundancy Box) представляет собой модуль с тремя внешними портами Ethernet: два из них подключены к HSR-кольцу, а третий является обычным Ethernet-портом. Модули RedBox используются для соединения не-HSR узлов и не-HSR сетевых сегментов к HSR-кольцу. Ими могут быть, например, обычные коммутаторы и компьютеры Ethernet. При пересылке кадров в кольцо модуль RedBox дублирует каждый кадр и отправляет две копии в кольцо, каждый в своем направлении. При пересылке кадров из кольца модуль RedBox отправляет первую копию и удаляет ту, которая приходит позже. В настоящее время, вероятно, HSR- кольцо является наиболее эффективным отказоустойчивым методом Ethernet-связи. HSR-сеть, подобно PRP-сети, пересылает резервные пакеты, однако, в отличие от PRP, в кольцевой топологии отсутствует необходимость в дублировании кабелей или коммутаторов. Это делает HSR-кольцо намного более эффективным с экономической точки зрения, чем использование двух локальных сетей PRP. По сравнению с быстрым протоколом связующего дерева (Rapid Spanning Tree Protocol, RSTP), преимуществом HSR является нулевое время восстановления — единичный сетевой отказ в кольце не приведет к потере кадров; время восстановления для протокола RSTP не соответствует требованиям всех приложений.
Рисунок 1
Рисунок 2
Рисунок 3
Топология PRP-сети с активными узлами
Топология HSR-сети с активными модулями RedBox
Реализация IP-блока коммутатора с резервированием от компании Flexibilis
Реализация отказоустойчивой сети связи
Как обеспечить выполнение требований всех упомянутых выше стандартов, сохранив гибкость и готовность системы к возможным изменениям, а также избежав недостаточной производительности? Одним из методов является использование ПЛИС в сочетании с ARM-подсистемой и специализированными IP-блоками, отвечающих аппаратным требованиям этих коммуникационных стандартов. Например, СнК Cyclone V от Altera прекрасно подходит для этих приложений. Это устройство содержит одно или два процессорных ядра ARM Cortex-A9, работающих на частоте 800 МГц, и другую аппаратнореализованную периферию, в т.ч. встроенную флэш-память, ОЗУ, кэш-память, порты ввода-вывода общего назначения (GPIO) и порты связи. Коммутирующая матрица ПЛИС обеспечивает интеграцию, повышение производительности и дальнейшую модернизацию. Используя такой подход, нетрудно модернизировать существующий проект или уже установленную систему при изменении протоколов PRP/HSR. Кроме того, можно реализовать коммуникации с резервированием среды передачи в режиме реального времени. Упрощается также поддержка, и расширяются возможности подключения к интерфейсам внешнего ввода-вывода. Например, компания Flexibilis, специализирующаяся на создании коммуникационных систем для решения критически важных задач, разработала IP-ядро ПЛИС, которое интегрируется в конечный продукт без внешнего коммутатора (см. рис. 3). IP-ядро Flexibilis Redundant Switch (FRS) представляет собой трехскоростной (10/100/1000 Мбит/с) Ethernet-коммутатор уровня 2, который поддерживает новые протоколы, обеспечивая бесшовное резервирование для сетей Ethernet. Коммутатор FRS совместим с протоколами HSR и PRP стандарта IEC 62439-3. Коммутатор FRS также поддерживает функционал протокола PTP для синхронизации сетевых часов согласно стандарту IEEE1588v2. Коммутатор FRS специально предназначен для использования в ПЛИС. Ключевой особенностью коммутатора является то, что у него имеется возможность расширения с трех до восьми портов без помощи отдельных модулей RedBox. Все порты обеспечивают полнодуплексную связь 1000 Мбит/с (GMII1) и 10/100 Мбит/с (MII2). Коммутатор поддерживает пересылку пакетов со скоростью среды передачи данных, неблокирующие режимы работы, надежные операции передачи данных с промежуточным хранением и проверкой их целостности, а также обеспечивает совместимость с протоколом PTP в соответствии с IEEE 1588. IP-блок в ПЛИС Altera Cyclone V или СнК Cyclone V оснащен PRP/HSR- коммутатором и другими системными функциями, что позволяет экономить время на разработку и интеграцию, а также снижает риски. Еще одним существенным преимуществом комбинированного решения компаний Altera и Flexibilis является упразднение внешнего коммутатора, поскольку каждый узел HSR поддерживает множество Ethernet-соединений (два — для кольца и одно или более — для дополнительных сервисных портов). FRS — это коммутатор уровня 2, который поддерживает HSR/PRP, что означает наличие двух портов с резервированием и до шести обычных портов Ethernet- коммутаторов. Таким образом, конечный узел/интеллектуальное устройство можно использовать не только в режиме HSR/PRP, но и в режиме работы обычного коммутатора. Другим ключевым требованием для промышленных систем является ремонтопригодность и продолжительный срок службы компонентов, используемых в системе, что выходит за пределы обеспечения надежности и требует решений, гарантирующих долговечность изделия. Возможность переконфигурирования и модернизации системы (либо в процессе производства, либо на стадии разработки) является критически важной, особенно когда соответствующие стандарты претерпевают изменения (к примеру, стандарт IEC 62351). ПЛИС позволяют смягчить эту проблему, обеспечивая масштабирование и переконфигурирование при модернизации решения, которая не ограничивается только изменением программного обеспечения. В настоящее время рынок промышленных и интеллектуальных энергосберегающих систем активно наполняется новыми изделиями. Поддержка коммуникационных стандартов уже не является фактором, определяющим ключевую особенность определенного изделия. Учитывая прогресс в развитии промышленных сетей Ethernet, от исполнительных устройств и платформ требуется поддержка всех основных действующих промышленных стандартов. Даже ключевые компании, которые уже создали собственные решения на базе промышленного Ethernet, сокращают объем работ, связанных с поддержкой своих фирменных систем. Средства связи представляют собой самостоятельный продукт и дополнительно не увеличивают ценностную значимость изделия. Итак, стандарты HSR/PRP можно использовать не только в интеллектуальных электросетях. При разработке новых решений следует в целях повышения отказоустойчивости и надежности систем связи предусматривать возможность реализации стандартов промышленного Ethernet для систем реального времени на базе HSR/PRP.