工业高可用网络：PRP与HSR，谁能定义零切换冗余下一代标准

在关键任务型工业网络中，通信中断可能导致灾难性后果 ——从电网瘫痪到生产安全事故，容错能力已成为系统设计的核心考量。传统冗余协议如生成树协议（STP）及其快速版本（RSTP）在网络故障时需要进行重新配置，产生几毫秒到数秒的恢复时间，这对于现代实时控制系统而言是不可接受的。

国际电工委员会制定的IEC 62439-3标准提出了两种革命性的冗余解决方案：并行冗余协议（PRP）和高可用性无缝冗余（HSR）。这两种协议共同的特点是零恢复时间和故障情况下零帧丢失，被IEC 61850标准指定为变电站过程总线的首选冗余方案。

本文将深入探讨这两种协议的工作原理、技术特点、应用场景及未来发展趋势。

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为什么需要零切换时间冗余？

在基于IEC 61850的变电站自动化系统中，通信基础设施支撑着保护、控制和监测系统。诸如采样值和GOOSE消息等关键数据的任何中断都可能危及整个系统的完整性。

「实时」工业控制系统要求在事件或信号发生后的可预测时间内做出响应。快速数字控制回路可能需要低于10微秒的反应时间。传统的冗余方法在故障切换时会产生延迟，而PRP和HSR通过并行传输复制数据包的方式，确保了即使网络部分失效，数据也能不间断送达，无需缓冲、重路由或重传。

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并行冗余协议（PRP）

2.1 工作原理

PRP的核心是构建两个完全独立、并行的以太网网络（通常称为LAN A和LAN A），采用星型拓扑结构。其工作原理如下：

▌ 帧复制：发送端节点（称为DANP，双连接节点）将每一帧数据复制为两份。

▌ 并行传输：两份相同的帧通过两个独立的网络同时传输。

▌ 接收与去重：接收端节点接收两份帧，接受先到达的那一份，立即丢弃后到达的重复帧。

▌ 故障容错：如果一个网络发生故障，接收端仍能通过另一个完好的网络接收到帧，通信完全不中断。

2.2 技术特点

PRP具有以下显著优势：

▌ 零切换时间：无需网络重新配置，故障对通信无感知。

▌ 网络独立性：两个LAN可以完全独立运行，互不影响。

▌ 设备兼容性：可使用标准以太网交换机，无需专用交换设备。

▌ 扩展性强：PRP的扩展方式与常规LAN网络相同，适用于大规模网络。

PRP的主要挑战在于需要双倍布线和双网络基础设施，初始建设成本较高。但这也带来了物理层面的完全隔离，极大增强了系统的可靠性。

2.3 帧结构

PRP在标准以太网帧的尾部添加了一个6字节的冗余控制尾标（RCT），包含以下关键字段：

PRP EtherType（16位）：标识帧类型 路径标识符（4位）：指示帧来自LAN A或LAN B 帧大小（12位） 序列号（16位）：用于重复帧检测

值得注意的是，PRP尾标对于标准以太网设备是透明的，它们将其解释为填充数据，因此PRP帧可以在传统以太网基础设施上传输。

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高可用性无缝冗余（HSR）

3.1 工作原理

HSR采用环形拓扑结构，是PRP方法在单一网络上的进一步发展。其工作机制为：

▌ 环形组网：所有支持HSR的设备（称为DANH，HSR双连接节点）通过两个端口相互连接，形成一个环网。

▌ 双向发送：源节点在环的两个方向上同时发送复制帧 —— 一个顺时针，一个逆时针。

▌ 转发机制：每个DANH节点不仅发送自己的帧，还需转发途经的非目的帧，使每个设备都充当网络交换机。

▌ 接收与去重：目的节点接收最先到达的帧，丢弃后到达的重复帧。

▌ 环路清理：对于多播和广播帧，源节点在完成一个循环后将其删除，防止无限循环。

3.2 技术特点

HSR的优势体现在：

▌ 零恢复时间：同样实现无缝冗余切换。

▌ 成本效益：无需外部交换机，减少布线和网络设备。

▌ 结构紧凑：特别适合节点数量有限的紧凑型网络。

▌ 快速重复检测：HSR标签位于帧头部，设备可在接收完整帧前识别重复，支持类似直通交换的低延迟转发。

HSR的局限性包括：

▌ 可扩展性差：环网结构不适合大规模网络。

▌ 带宽效率：双向传输导致有效带宽利用率仅为50%。

▌ 设备依赖：所有环上设备必须支持HSR，无法直接集成标准以太网设备。

3.3 帧结构

与PRP不同，HSR在以太网帧头部插入一个6字节的HSR标签，位置类似于VLAN标签。这使交换机能在接收帧的开始就做出转发决策，但也意味着HSR帧与标准以太网设备不兼容—— 传统设备会将HSR标签误解为有效的第2层帧信息，无法正确读取用户数据。

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关键术语与辅助设备

4.1 节点类型

▌ DAN（双连接节点）：配备两个网络接口，可直接连接冗余网络的设备。

▌ DANP：支持PRP的双连接节点。

▌ DANH：支持HSR的双连接节点，同时具备帧转发能力。

▌ SAN（单连接节点）：只有一个网络接口的标准以太网设备，如普通计算机、打印机等。

4.2 冗余盒（RedBox）

冗余盒是为SAN设备提供冗余连接的关键组件。它充当SAN与冗余网络之间的桥梁，使单接口设备能以虚拟双连接节点（VDAN）的身份参与冗余网络。RedBox的功能包括：

为SAN设备提供PRP或HSR网络接入 处理帧的复制、转发和去重 维护冗余协议的逻辑

4.3 QuadBox

当需要耦合两个HSR环网时，必须使用称为QuadBox的环耦合元件，且始终成对使用以避免单点故障。

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PRP与HSR的对比

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实际应用场景

6.1 变电站自动化中的混合部署

在实际工程中，PRP和HSR并非互斥的选择，而是可以优势互补。典型的混合部署策略为：

站级总线（控制层）：采用PRP，满足大规模网络、高扩展性需求，支持众多异构设备接入。

过程总线（间隔层）：采用HSR，实现紧凑、低成本的可靠网络，连接智能电子设备（IED）。

两个网络层之间通过成对冗余网关（QuadBox）互连，确保不引入单点故障。

6.2 轨道交通与工业自动化

HSR在轨道交通系统、工业工厂和公用事业电网中得到广泛应用。其环网结构特别适合线性拓扑的铁路沿线通信，以及紧凑型工业控制单元之间的高可靠互联。

6.3 时间同步的融合

现代变电站对时间同步精度要求极高。IEEE 1588精确时间协议（PTP）可通过以太网分配时钟标记，在冗余LAN中实现1微秒以上的同步精度。HSR环网中的PTP同步需要考虑环形拓扑引入的延迟，这对时间关键型应用是重要考量。

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FPGA实现与性能优化

7.1 硬件加速的必要性

HSR和PRP协议需要在第2层进行快速帧处理，包括复制、转发、重复检测和监督等功能。纯软件实现难以满足微秒级的延迟要求，因此FPGA硬件实现成为主流选择。

7.2 直通交换与存储转发

在HSR/PRP交换机IP核的设计中，转发延迟是关键指标：

▌ 存储转发：需要接收完整帧后才能做出转发决策，延迟随帧长度变化，可达数微秒至数十微秒。

▌ 直通交换：分析目标MAC地址后即可开始转发，延迟恒定且小一个数量级。

研究表明，将直通与存储转发相结合的混合架构能在任何情况下提供最佳的延迟时间。一旦接收到HSR报头即可执行重复识别并开始转发，显著提升性能。

7.3 虹科解决方案

虹科提供可在单一电子设备中集成的HSR/PRP IP核，在Xilinx FPGA（如Spartan-6）上实现三个以太网通信端口：

两个冗余端口连接环网或双LAN

第三个端口连接主板CPU（构建DAN）或以太网交换机（构建RedBox）

硬件逻辑负责所有冗余管理（重复过滤、缓冲、监控、代理表等），为CPU提供传统以太网通信接口，使上层软件无需修改即可享受冗余优势。

SOC-E RelyUm系列RELY-PCIe

在此基础上，虹科依托SOC-E RelyUm系列打造了完善的HSR/PRP/PTP一体化硬件解决方案，覆盖冗余网络接入、交换、同步全应用场景。虹科合作伙伴SOC-E RelyUm提供的RELY-PCIe作为时间感知Redbox-DAN PCIe网卡，除原生支持HSR/PRP冗余协议外，还兼容STP/RSTP/MSTP传统冗余协议，同步层面适配IEEE 1588 PTP与NTP，同时支持IEEE 802.1X网络安全协议，还具备时间桥接、网络监控等实用特性，可直接搭载于工业计算机，为设备赋予硬件级双连接节点能力。

SOC-E RelyUm系列RELY-RB

虹科合作伙伴SOC-E RelyUm提供的RELY-RB作为时间感知的Redbox Switch，为独立机箱式设备，集成了经现场验证的无丢包冗余以太网、亚微秒级同步及网络安全技术，能实现整网与冗余网络的融合，还可通过QuadBox操作互连PRP和HSR网络、扩展HSR环网，是单连接节点设备接入冗余网络的核心桥接组件。

此外，虹科还提供SOC-E RelyUm系列TSN IP核、板卡、TSN交换机、测试套件等一站式解决方案，覆盖从产品研发到实际应用的全链条，能够为工业自动化、智能电网、轨道交通等关键任务型行业，提供兼具高可用性与时间确定性的一体化网络解决方案。