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Nicht nur bei DNS auch in der Netzwerktechnik lohnt sich eine Verknüpfung der besten Eigenschaften. Bild: iStockphoto/D3Damon
Netzwerkarchitektur

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Das Beste aus Beiden verbinden

Text: Martin Jenkner, Moxa
Der Aufbau des Energieinformationsnetzes erfordert zuverlässige Datenübertragung. Zwei standardisierte Protokolle für redundante Netzwerkarchitekturen ermöglichen die verlustfreie IP-Paketübertragung selbst wenn Teile des Netzes ausfallen. Sie nutzen aber unterschiedliche Konzepte, die die Anwendung beeinflussen.

Das Parallel Redundancy Protocol (PRP) nach der Norm IEC-62439-3 beschreibt, wie mithilfe von zwei getrennten Netzwerken eine vollkommen verlustfreie IP-Paketübertragung von einer Quelle zu einem Empfänger gewährleistet werden kann. Der Hauptmechanismus besteht dabei darin, das Originalpaket auf Senderseite zu duplizieren und über physikalisch getrennte Wege zum Empfänger zu schicken. Der Standard stellt dabei sicher, dass auf Empfängerseite nur eines der beiden Pakete verarbeitet wird. Das redundante – typischerweise das als zweites empfangene Paket – wird verworfen. Die beiden Wege werden durch zwei Netzwerke LAN A und LAN B dargestellt. Die folgenden vier Eigenschaften sind charakteristisch für diesen Redundanzmechanismus: Zum einen dürfen LAN A und B nur durch PRP-fähige Geräte miteindander verbunden sein. Weiterhin müssen die beiden Netzwerke nicht die gleiche Struktur haben. Sie können zudem jeweils aus anderen Redudanzstrukturen wie dem klassischen RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) oder Ringen aufgebaut sein. Der Ausfall eines PRP-Knotens hat außerdem keine Auswirkung auf die restlichen Redundanzeigenschaften.

Das High-Speed-Seamless-Redundancy (HSR) Protokoll erzeugt ebenfalls doppelte IP-Pakete auf der Senderseite und stellt einen Mechanismus bereit, um auf der Empfängerseite das redundante Paket zu verwerfen. Als Übertragungsweg ist jedoch nur ein Ring aus HSR-fähigen Knoten zugelassen. Eines der beiden identischen Pakete durchläuft den Ring im Uhrzeigersinn, das andere gegen den Uhrzeigersinn. Entfernt werden die Pakete nicht vom Empfängerknoten, sondern nur vom einspeisenden Senderknoten. Die charakteristischen Eigenschaften für diesen Redundanzmechanismus sind: Im HSR-Ring dürfen nur HSR-fähige Knoten eingereiht sein. Nicht HSR-fähige Switches oder Unterstrukturen sind nicht erlaubt. Ein HSR-Ring wird in jedem Link mit dem Doppelten der Summe aller Datenübertragungen belastet, und der Ausfall eines HSR-Knotens zerstört die Redundanz.

Unterschiedliche Eigenschaften und Anwendung

Durch die redundanten Paketübertragungen sind beide Protokolle robust gegenüber partiellen Ausfällen der verbindenden Netzwerke. So kann bei PRP sogar eines der beiden LANs im Gesamten aufallen, ohne die Übertragung zu beeinträchtigen. Das Besondere gegenüber anderen, klassischen Redundanzprotokollen wie RSTP ist jedoch, dass aufgrund der redundanten Paketübertragung kein zeitraubender Wiederherstellungsmechanismus ablaufen muss, um neue Verbindungen zwischen Sender und Empfänger aufzubauen. Sie werden deshalb auch als zero-recovery-time-Protokolle klassifiziert, die stoßfreie Übertragung ermöglichen. Beide Redundanzprotokolle ziehen ihre Übertragungszuverlässigkeit aus dem Verschicken von Duplikaten über physikalisch unterschiedliche Pfade. Der erste, kostenrelevante Unterschied liegt in der Bereitstellung dieser Pfade. Während PRP zwei getrennte Netzwerke fordert und damit höhere Investitionen in Netzwerkhardware erwartet, nutzt HSR brachliegende Übertragungskapazitäten einer dedizierten Ringstruktur. Betrachtet man die beiden Redundanzprotokolle unter Skalierbarkeitsgesichtspunkten, so zeigt sich die Grenze von HSR-Ringen. Bei gegebener maximal zulässiger Latenz können HSR-Ringe nur bis zu einer gewissen Größe erweitert werden. Die Gesamtanzahl der integrierbaren Knoten hängt dabei von der verwendeten Übertagungstechnik (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet) und der beanspruchten Bandbreite der Sender sowie der Paketgröße ab. PRP ist in Sachen Netzwerkgröße hingegen viel stärker erweiterbar. So ist HSR eine kostengünstige Lösung, um kleine Redundanzstrukturen in Umspannwerken aufzusetzen. Das können zum Beispiel Bays sein. PRP ist hingegen für größere, verteiltere Redundanzstrukturen geeignet, wie etwa die Kommunikation auf Stationsebene.

Endgeräte mit nur einer Ethernetschnittstelle (SAN: Single attached node) können über Redudanz-Switches in PRP- beziehungsweise HSR-Netze eingebunden werden. Ein Redundanz-Switch hat deshalb mindestens drei Ethernetschnittstellen: Zwei für PRP/HSR und einen sogenannten Interlink für das Endgerät. Der Einsatz dieser Switches erweitert den Einsatzbereich von PRP und HSR. Es kann jedes Ethernet-fähige Endgerät von den redundanten und stoßfreien Übertagungsprotokollen profitieren. Dabei sind zwei Erwägungen in Betracht zu ziehen: Sollten die Endgeräte Single Attached Nodes sein, so muss jedem ein Redundanz-Switch zur Integration bereitgestellt werden. Die Kosten dieser Integration können im Extremfall die eines Endgeräts übersteigen. Eine andere Einschränkung betrifft die verminderte Ausfallsicherheit. Schließlich ist ein SAN nur über einen nicht redundanten Pfad, den Interlink, angebunden. Ausfallriskien wie Kabelbrüche oder Kontaktfehler im Interlink machen ihn zur Bruchstelle und verringern die Gesamtzuverlässigkeit der Übertragung.

Redundanz-Switche koppeln

Redundanz-Switches bieten durch den in IEC-62349 vorgesehenen Kopplungsmodus auch die Möglichkeit, PRP-Netzwerke mit HSR-Ringen oder auch HSR-Ringe untereinander zu verbinden. Zwei Switches werden benötigt, um einen HSR-Ring ausfallsicher in ein PRP-Netzwerk einzubinden. Jeder Redundanz-Switch bedient dabei je ein LAN des PRP-Netzwerks, die Redundanz bleibt voll erhalten. Um HSR-Ringe untereinander zu verbinden, werden zwei Redundanz-Switches pro HSR-Ring benötigt. Eine HSR-HSR-Verbindung braucht also vier Redundanz-Switches (Quadbox). Eine Verkettung von HSR-Ringen ist möglich, bezüglich der Maximalzahl der Ringe gilt, dass die Zahl der HSR-Knoten so zu zählen ist wie die Maximalzahl der Knoten in einem einzelnen HSR-Ring. An ein PRP-Netzwerk können über den Kopplungsmodus von Redundanz-Switchen mehrere HSR-Ringe gleichzeitig angeschlossen werden. Das ermöglicht starke und einfache Skalierung. Nimmt man an, das eine Bay mit einem HSR-Ring vernetzt werden kann, so können Umspannwerke leicht um Bays erweitert werden, ohne die grundsätzliche Netzwerkstruktur zu verändern. Man muss lediglich einen weiteren HSR-Ring an das PRP-Netzwerk anschließen.

Eine andere Möglichkeit der Skalierung tut sich auf, wenn ein Redundanz-Switch mehrere Interlink-Ports aufweisen kann. Dann können ohne Eingriff in die Netzwerkstruktur mehrere SANs kostengünstig über einen Redundanz-Switch in das redundante Netzwerk integriert werden. Es bietet sich ein modularer Switch-Aufbau an, in dem sich fehlende Interlinks über Module nachrüsten lassen.

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