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高可用自动化网络（下）

        3. PRP（Parallel Redundancy Protocol）――并行冗余协议
        3.1 PRP 工作原理
        这种冗余协议在设备中执行冗余。一个终节点连接到两个独立的、具有相似拓扑的、并行运行的局域网上。
        两个局域网遵循配置规则，支持网络管理协议，比如支持地址解析协议（ARP）的正确执行。图4显示了一个冗余网络，由两个交换式局域网构成，可以为任何的拓扑结构，比如，树型、环型或者网格。

        图 4 ―PRP 通用冗余网络
        两个局域网的协议在MAC-LLC（介质访问控制－逻辑链路控制）层是相同的，但它们能够有性能和拓扑的不同。传送延迟可能也不同。两个局域网之间没有直接地连接，可以假设它们是失效无关的。
        一个执行PRP双重连接的节点（简称DANP）连接了两个局域网，分别为LAN_A和LAN_B。单一连接的节点（简称SAN）可以按两种方式连接：
        ● SAN可以只连接到一个局域网上。SAN可以只和同一个局域网上的其他SAN通信。比如，在图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可以通过一个冗余框（redundancy box）连接到两个局域网上，就像图4中所示。这样SAN就可以和所有的SAN通信了，比如SAN B3可以和SAN A1进行通信。
        SAN不需要在意PRP，它们可以是市售的计算机。做为一个简单的例子，图5描绘了一个PRP网络，两个线性拓扑的局域网，也可称为总线型拓扑。

        图5―两个总线拓扑局域网的 PRP冗余网络
        两个局域网可以是环形拓扑，见图6所示。

        图6―带有SAN和DANP 的PRP冗余环

        3.2 节点结构
        每个节点有两个端口，以并行的方式工作，通过LRE（链接冗余实体）它们连接同一个上层通信栈，如图7所示。

        图7― PRP中两个DANP的通信
        LRE有两个任务：重复帧处理和冗余管理。这个层表示了向它上层的网络适配器与非冗余的适配器有同样的接口。
        当接收到来自上层节点的帧时，LRE通过它的两个端口，几乎同时地发送帧。两个帧通过两个局域网有不同的延时，理想情况下，它们可以同时到达目的节点。
        当接收来自网络的帧时，LRE把第一达到的帧转发到上层节点，放弃重复帧（如果到达的话）。
        为了管理冗余，LRE增加一个冗余检测尾（RCT），把一个序列号加到帧中，通过它可以保持对重复的跟踪。另外，LRE周期地发送PRP_Supervision帧，并且评估其他DANP的PRP_Supervision帧。

        3.3 单连接节点和双连接节点的兼容
        单连接节点（SAN），比如：维护膝上机或者打印机，可以连接到任何局域网。连接到一个局域网的SAN不能与连接到其他局域网中的SAN直接通信。交换机就是一种SAN，这些SAN不关心PRP冗余，所以这些SAN可以理解DANP生成的报文。条件是这些SAN忽略帧中的RCT，因为一个SAN 不能从IEEE 802.3 的帧中区分RCT。相反地，DANP也理解SAN生成的报文，因为这些报文没有增加的RCT。它们仅转发一幅帧到它们的上层，因为SAN报文仅在一个局域网中使用。一个DANP不能正确识别远程设备是一个DANP，它认为它是一个SAN。

        3.4 网络管理
        一个节点在两个端口有相同的MAC地址，而分派给那个地址仅有一个IP地址。这使得冗余对上层是透明的。特别地，这使得地址解析协议（ARP）可以和一个SAN以同样的方式工作。
        在局域网中的交换机不是双重连接设备，并且，所有管理型交换机有不同的IP地址。某种网络管理工具更适于DANP，它能够访问这些节点与交换机，好像它们都属于同一个网络。特别地，对DANP执行网络管理时，可以看见连到局域网中的所有SAN。

        4 CRP（Cross-network Redundancy Protocol）―― 交叉冗余协议
        4.1 CRP概述
        这部分描述一种在终节点中执行的冗余协议，与在交换机中建立的冗余协议相反。没有中央的“冗余管理器”；取而代之的是：每个节点自主运行。

        4.2 CRP节点
        现场已经存在了不同类型的节点，可以在同一个网络上相互操作：
        ● 执行CRP协议的双连接节点（简称DANC），有两个端口用于冗余目的；
        ● 执行CRP协议的单连接节点（简称SANC），仅有一个端口；
        ● 单连接节点SAN，诸如商用膝上机或者文件服务器，它们不理会CRP协议。即便这样，SAN也具有访问冗余管理数据，实现监视和网络管理的功能。
        在DANC中，这两个端口称为端口A 和端口B。由LRE来管理，执行方法没有规定，只是从概念上定义在通信栈中，低于网络层，如图8所示。

        图8―CRP栈结构
        这种安排提供了应用层的透明度。LRE从上层隐藏了冗余和管理端口。因此，节点可以使用一个IP地址运行。

        4.3 CRP 局域网拓扑
        在DANC内执行冗余协议使得拓扑结构具有多样性和广泛性，使用的交换机不用关心冗余协议，并且可以执行其他的冗余协议，例如RSTP。
        这里不规定拓扑结构，但允许对节点行为进行配置，以适应特定局域网的特性。注意，节点可以连接单一局域网中的相同或者不同交换机，可以包括或者不包括冗余连接，如图9所示。双重连接到同一个交换机仅提供节点连接失效恢复。

        图9―CRP单一局域网拓扑结构
        节点可以连接到不同的局域网，它们是失效无关的，但可以是内部连接的局域网，见图10所示。

        图10―CRP双局域网拓扑结构
        当仅有一个局域网时，节点是通过它的两个端口连接到局域网的。在双局域网配置中， 端口A通常连接到LAN_A，端口B连接到LAN_B。一个节点也可以交叉方式连接到同一个网络树上，如端口A到LAN_B，端口B到LAN_A，所以这种冗余称为“交叉冗余”。

        5. BRP（Beacon redundancy protocol）―― 信标冗余协议
        5.1 BRP概述
        本节讨论一种可以冗余所有单一节点失效的以太网协议。这种协议被称为信标冗余协议。基于BRP协议的以太网称为BRP网络。BRP网络是基于交换型ISO/IEC 8802-3（以太网）和IEEE 802.1的技术以及冗余架构。在这种网络中，切换架构的决定由每个终节点自己做出。

        5.2 网络拓扑
        BRP网络拓扑可以用两个互联的顶部交换机来描述，每个交换机做为下面星型、线型或者环型拓扑的领头。信标终节点（beacon end node）可以直连顶部的交换机。星型、线型或者环型BRP网络的例子分别见图11，图12和图13。

        图11―BRP星型网络

        图12―BRP线型网络

        图13―BRP环型网络

        5.3工作原理
        BRP网络建立于2层交换机上，遵从IEEE 802.1D和IEEE 802.3标准。交换机不需要支持BRP协议。图11表示了一个BRP星型网络的例子，工作在两路冗余的模式下。它使用两套网络架构A和B（使用不同的颜色表示）。交换机的层数和在每层的交换机个数是按应用的要求决定的。对于一个三层架构，甚至都可能构建非常大的网络。比如，由八个普通端口和一个上行端口的交换机构建的一个BRP星型网络，最大可以包含500个节点。顶部的两个交换机应互联，使用一个或者多个连接，提供足够的带宽。具有集合通信能力，流量在多个连接内共享，一个连接失效不会宕掉整个网络。有了这样的安排，架构A 和B各形成一种单一网络。
        两种类型的终节点可以连接到BRP网络：双连接终节点和单连接终节点。一个双连接终节点可以作为一个BRP终节点或者一个BRP 信标终节点使用。一个BRP 信标终节点是一种双连接终节点的特例，可以直接连接顶部的交换机。虽然双连接BRP终节点具有两个网络端口，但它们仅使用一个MAC地址。
        在任何给定时间点，一个BRP终节点仅通过其中的一个端口进行有效通信，当这个端口阻塞时，所有的报文在另一个端口进行发送和接收，除了接收信标报文和Failure_Notify 报文。BRP终节点端口通过无效和有效切换的分布式方式实现了容错。
        在图11、12和13示例中，两个信标终节点连接到顶部交换机。信标终节点周期地在网络中多播/广播一个短信标报文。同样地，一个信标终节点在任何给定时间点，仅通过其中的一个端口有效地通信，当这个端口阻塞时，所有的报文会在另一个端口进行发送和接收，除了接收信标报文和Failure_Notify 报文。信标终节点端口通过无效和有效切换的分布式方式实现了容错。
        单连接终节点也可以连接到BRP网络，但它们不支持BRP协议。一个单连接节点可以与双连接节点通信，和网络上其他的单连接节点一样。
        因为交换机是IEEE 802.1D兼容的，它们支持RSTP协议。这就消除了在BRP环型网络中回路形成，就像图13中所示的那样。

        5.4网络流量的快速重新配置
        为了快速重新配置，在交换机中的多播控制特性需要失能。多播流在此就像对广播流一样地处理。单播包会受到交换机学习和过虑的特性影响。在终节点端口重新配置后，交换机废弃原来的知识。交换机在执行学习时，会更新它的数据库，当一个带有新的源MAC地址的包被端口接收时，端口会把它存储在数据库中，供所有的端口共享。
        当一个BRP终节点切换到无效端口时，它的第一个动作是发送一个短多播报文，称为 Learning_Update 报文，通过它重新使能端口。因为这个报文通过网络传播，交换机更新它们的MAC地址数据库，结果完成了单播流的快速重新配置。这个报文对网络的其他终节点没有兴趣，所以其他终节点会丢弃了它们。

        6.结论
        要构建高可用性自动化网络的用户，应该根据生产工业的要求和现场工作的环境，来部署新建或者改造网络，使企业能够提高生产率，降低自动化系统的故障和为此带来的经济损失。本文仅做了简单介绍，详尽内容请参阅IEC62439标准。

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