HSR ve PRP ile Sıfır Kesintili Ağ Yedekliliği: Ne Zaman Gerekir?

Ring protokolleri kopukluğu onarır, ama onarım sırasında birkaç on ile birkaç yüz milisaniye arasında trafik kaybını kabul eder. Bazı uygulamalarda bu boşluk, kaybolan bir koruma rölesi açma komutu ya da güvenli konuma geçen bir proses demektir. IEC 62439-3’te tanımlanan PRP ve HSR her çerçeveyi iki ayrı yoldan aynı anda gönderir; tek bir arızada kurtarma süresi sıfırdır. Bedeli de vardır. Aşağıda iki protokolün mimarisini, entegrasyon bileşenlerini, sahada sık atlanan tasarım kısıtlarını ve MRP/RSTP ile HSR/PRP arasında nasıl karar verdiğimizi anlatıyoruz.

Kesintisiz (bumpless) yedeklilik: hangi uygulama boşluk kaldırmaz

“Kesintisiz” (bumpless) yedeklilik, bir bağlantı veya switch arızalandığında tek bir çerçevenin bile kaybolmaması demektir. Bu gereksinim tipik olarak şu uygulamalarda çıkar:

• IEC 61850 trafo merkezleri: GOOSE ile iletilen açma ve kilitleme mesajları ile proses barası üzerindeki örneklenmiş değerler (Sampled Values) birkaç milisaniyelik zaman bütçesiyle çalışır. Ring kurtarması sırasında kaybolan bir örnek akışı koruma fonksiyonunu bloke edebilir.
• Hareket kontrolü: Kısa çevrim süreli senkron eksenlerde ardışık birkaç çevrimin kaybı eksen hatasına yol açar. PROFINET IRT bu ihtiyaç için kendi çözümü olan MRPD’yi kullanır; diğer ağlarda çözüm protokole göre değişir ve HSR/PRP ancak uç cihazlar bu arayüzleri destekliyorsa seçenek olur.
• Proses güvenlik ve kontrol sistemleri: Yedekli controller’lar arası senkronizasyon ve kritik IO trafiği, ağ kaynaklı geçişlerin süreci etkilememesini gerektirebilir.

Ölçüt basit. Uygulamanın kabul edebildiği en uzun iletişim boşluğunu (watchdog, zaman aşımı veya koruma fonksiyonu bütçesi) yazılı olarak belirleyin ve ring protokolünün en kötü durum kurtarma süresiyle karşılaştırın. Boşluk ring kurtarmasından kısaysa HSR/PRP masaya gelir; değilse ring protokolü daha ekonomiktir. Bu sayıyı yazmadan protokol seçmek tahmindir.

PRP: birbirini görmeyen iki LAN

PRP (Parallel Redundancy Protocol) birbirinden tamamen bağımsız iki ağ kullanır: LAN A ve LAN B. Her iki ağa da bağlı uç cihaza DANP (Doubly Attached Node implementing PRP) denir. DANP gönderdiği her çerçevenin bir kopyasını LAN A’ya, diğerini LAN B’ye yollar ve çerçevenin sonuna 6 baytlık RCT (Redundancy Control Trailer) ekler. RCT; sıra numarası, LAN kimliği ve çerçeve boyu bilgisini taşır. Alıcı DANP, aynı kaynaktan aynı sıra numarasıyla gelen ikinci kopyayı atar ve üst katmana tek çerçeve iletir.

PRP’nin güçlü yanları:

• LAN A ve LAN B herhangi bir topolojide olabilir; her biri kendi içinde RSTP veya ring protokolü çalıştırabilir.
• Ağlardaki switch’lerin PRP bilmesi gerekmez; RCT çerçevenin sonunda olduğundan standart switch’ler çerçeveyi normal iletir.
• Bir LAN’ın tamamen devre dışı kalması iletişimi etkilemez; bakım sırasında bir LAN’ı kapatmak mümkündür.

Bedeli de açık: endüstriyel ağ altyapısında donanım ve kablolama iki katına çıkar. LAN A ile LAN B arasında hiçbir fiziksel bağlantı olmamalıdır. Sahada gördüğümüz klasik hata, iki ağın “kolaylık olsun” diye bir yönetim switch’i ya da mühendislik PC’si üzerinden birleştirilmesidir. Bu, PRP’nin bağımsızlık varsayımını bozar ve çerçeveleri çoğaltır. İki LAN, iki dünya.

HSR: halka üzerinde çift yönlü çerçeve çoğaltma

HSR (High-availability Seamless Redundancy), PRP’nin mantığını tek bir halkaya uygular. Halkadaki her cihaz iki portlu bir DANH’dır (Doubly Attached Node implementing HSR). Kaynak cihaz her çerçeveyi iki kopya olarak, biri saat yönünde diğeri ters yönde gönderir ve kaynak MAC adresinden sonra 6 baytlık HSR etiketi ekler. Halkadaki her düğüm kendisine ait olmayan çerçeveyi bir sonraki düğüme iletir; hedef düğüm ilk gelen kopyayı kabul edip ikinciyi atar. Unicast çerçeveler hedef düğümde halkadan çıkarılır; multicast ve broadcast çerçeveler ise halkayı dolaşıp kaynağa döndüğünde kaynak tarafından atılır.

HSR’de halka hiçbir zaman bloklanmaz; döngü, düğümlerin daha önce ilettikleri çerçeveyi ikinci kez iletmemesiyle önlenir. Bir bağlantı koptuğunda çerçevenin bir kopyası diğer yönden hedefe ulaşmaya devam eder. Ayrı bir LAN gerekmez; ancak halkadaki her düğümün HSR desteklemesi zorunludur. Standart bir switch ya da HSR desteklemeyen bir cihaz halkanın içine konamaz. İstisnası yok.

RedBox, QuadBox ve tekli bağlı cihazların entegrasyonu

Sahadaki cihazların hepsi çift portlu ve HSR/PRP uyumlu değildir. Tek ağ arayüzü olan cihazlara SAN (Singly Attached Node) denir ve şu bileşenlerle ağa alınır:

Bileşen	İşlevi	Tipik kullanım
RedBox	SAN’ları HSR halkasına veya PRP LAN çiftine bağlar; onlar adına çoğaltma ve kopya atma yapar	Eski IED, HMI, mühendislik PC’si
QuadBox	İki HSR halkasını birbirine bağlar; dört portludur	Halkalar arası yedekli bağlantı
HSR–PRP RedBox	Bir HSR halkasını PRP LAN A ve B’ye bağlar	Bay seviyesi HSR, istasyon seviyesi PRP
Doğrudan SAN	Yalnız LAN A veya LAN B’ye bağlanır, yedeksizdir	Kritik olmayan izleme cihazları (yalnız PRP)

Sık atlanan nokta: RedBox’ın kendisi tek hata noktasıdır. RedBox arkasındaki SAN’lar için yedeklilik yalnız RedBox’a kadar sürer; RedBox ile SAN arasındaki kablo veya RedBox’ın güç kaynağı arızalanırsa cihaz iletişimi kesilir. Kritik cihazlar için yerleşik DANP/DANH arayüzü olan modeller seçin. RedBox’ı ise tek beslemeden çalıştırmayın.

HSR, PRP, MRP ve RSTP karşılaştırma tablosu

Kriter	PRP	HSR	MRP	RSTP
Kurtarma süresi	Sıfır	Sıfır	Profil sınırlı (ör. 200 ms)	Topolojiye bağlı
Ağ altyapısı	İki bağımsız LAN	Tek halka	Tek halka	Herhangi
Switch gereksinimi	Standart switch	Tüm düğümler HSR’li	MRP destekli	Standart
Bant genişliği	Her LAN tam kapasite	Halkada çift trafik	Normal	Normal
Maliyet	En yüksek	Yüksek	Orta	Düşük

MRP’nin çalışma mantığı ve devreye alma testi için PROFINET MRP ile ring topoloji yazısına bakabilirsiniz.

Tasarım kısıtları: bant genişliği, düğüm sayısı, zaman senkronizasyonu

Bant genişliği

PRP’de her LAN trafiğin bir kopyasını taşır; kapasite planlaması tek ağ için yapılır ve iki LAN’a aynen uygulanır. HSR’de durum farklıdır: her çerçeve halkada iki yönde dolaşır. Multicast ve broadcast çerçeveleri, örneğin GOOSE ve Sampled Values, halkanın tamamını her iki yönde dolaşır; dolayısıyla halkadaki her bağlantı tüm multicast yükünü iki kez taşır. Sampled Values gibi yüksek hızlı akışların ekleneceği tasarımlarda bağlantı kapasitesini bu çarpanla hesaplayın. Kâğıtta yetişen halka, sahada doymuş çıkabilir.

Düğüm sayısı ve gecikme

HSR halkasında her düğüm çerçeveyi iletirken bir gecikme ekler; halkanın en uzak noktasına giden kopyanın gecikmesi düğüm sayısıyla doğrusal artar. Halka boyutunu uygulamanın gecikme bütçesine göre sınırlayın. Pratik yöntem: üreticinin düğüm başı iletim gecikmesi değeriyle en kötü yolu hesaplayıp uygulamanın zaman bütçesiyle karşılaştırmak. PRP’de gecikme her LAN’ın kendi topolojisine bağlıdır; iki LAN arasındaki gecikme farkı alıcıdaki kopya atma penceresini etkiler, bu yüzden iki LAN’ı benzer derinlikte tasarlayın.

Çerçeve boyu

RCT ve HSR etiketi çerçeveye 6 bayt ekler. Azami boyuttaki çerçevelerde bu, standart 1518 baytı aşan çerçeveler üretebilir. Ağdaki switch’lerin bu boyutu kabul ettiğini veri sayfasından doğrulayın. Aksi halde büyük çerçeveler sessizce düşer ve arıza yalnız belirli uygulamalarda görünür; sahada en zor yakalanan türden bir sorundur.

Zaman senkronizasyonu

IEC 61850 proses barası ve hassas zaman damgası gerektiren uygulamalar IEEE 1588 PTP kullanır; trafo merkezlerinde bunun IEC 61850-9-3 profili yaygındır. PTP çerçeveleri transparent clock’lar tarafından yol üzerinde değiştirildiğinden iki LAN’dan gelen kopyalar birebir aynı değildir ve sıradan kopya atma mantığıyla işlenemez. HSR/PRP ağında PTP kullanılacaksa saat kaynağının, RedBox’ların ve uç cihazların PTP’yi HSR/PRP üzerinde IEC 62439-3’e uygun şekilde desteklediğini doğrulayın.

Seçim için karar ağacı

1. Uygulamanın kabul edebildiği iletişim boşluğu ring kurtarma süresinden uzun mu? Evet ise MRP (PROFINET hücreleri) veya RSTP (omurga) yeterlidir. Hayır ise devam edin.
2. Uygulama PROFINET IRT mi? Evet ise önce PROFINET’in kendi kesintisiz mekanizması MRPD değerlendirilir. Hayır ise devam edin.
3. Cihazların çoğu çift arayüzlü ve HSR/PRP destekli mi? Hayır ise RedBox sayısı ve bunların tek hata noktası olması maliyet–fayda hesabına eklenir; kritik cihaz sayısı azsa bu cihazlar için yerleşik destekli modellere geçiş planlanır.
4. Kablolama ve switch sayısının iki katına çıkması kabul edilebilir mi? Evet ise PRP; LAN’lar standart switch’lerle kurulur ve topoloji esnekliği korunur.
5. Cihazlar coğrafi olarak bir hat boyunca mı diziliyor ve ek switch istenmiyor mu? Evet ise HSR; cihazlar halkayı kendi aralarında oluşturur. Halka boyutu gecikme bütçesine göre sınırlanır.
6. Bay ve istasyon seviyesi farklı ihtiyaçlara mı sahip? Hibrit yapı: bay içinde HSR, istasyon seviyesinde PRP, aralarında HSR–PRP RedBox.

Karar vermeden önce sahadaki cihazların hangi protokolleri desteklediğinin envanterini çıkarın; teorik tercihi çoğu zaman bu envanter belirler. Devreye almadan sonra da iş bitmez. PRP’de bir LAN’ın sessizce arızalı kalması sistemi kimse fark etmeden yedeksiz bırakır. Yedekli ağ izlenmezse yedekli değildir. HSR/PRP düğümlerinin periyodik denetim (supervision) çerçevelerini ve kopya sayaçlarını izleyen bir yapı için endüstriyel ağ izleme ve arıza analizi, mimari seçim ve tasarım için endüstriyel Ethernet ve fabrika ağları hizmet sayfalarımıza göz atabilirsiniz. Deterministik zamanlama ve 802.1CB çerçeve çoğaltma gibi yeni nesil mekanizmalar için TSN standartları yazısı, HSR/PRP ile benzer fikirlerin IEEE 802.1 tarafındaki karşılığını anlatır. Standardın kendisi IEC tarafından yayımlanır.

Sık sorulan sorular

PRP için özel switch gerekir mi?

Hayır. RCT çerçevenin sonuna eklendiği için LAN A ve LAN B standart switch’lerle kurulabilir. Ama switch’lerin 6 bayt uzayan çerçeveleri kabul ettiğini ve iki LAN’ın fiziksel olarak hiçbir noktada birleşmediğini doğrulayın.

HSR halkasına normal bir switch eklenebilir mi?

Halkanın içine eklenemez; HSR halkasındaki her düğüm HSR desteklemelidir. Standart switch ve tek arayüzlü cihazlar halkaya bir RedBox üzerinden bağlanır.

HSR ve PRP birlikte kullanılabilir mi?

Evet. Yaygın yapı, bay seviyesinde HSR halkaları ve istasyon seviyesinde PRP ağları kurup bunları HSR–PRP RedBox ile bağlamaktır.

Sıfır kesinti, MRP’ye göre her zaman daha mı iyidir?

Hayır. HSR ve PRP donanım, kablolama ve bant genişliği açısından daha maliyetlidir. Uygulamanın kabul edebildiği iletişim boşluğu ring kurtarma süresinden uzunsa MRP veya RSTP hem doğru hem ekonomik seçimdir.