基于監測幀的PRP和HSR冗余網絡監視系統的實現

高紅亮， 陶文偉， 唐孝舟，張喜銘， 李廣華， 楊 貴

(1. 中國南方電網電力調度控制中心，廣州 510663；2. 南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100)

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基于監測幀的PRP和HSR冗余網絡監視系統的實現

高紅亮1， 陶文偉1， 唐孝舟2，張喜銘1， 李廣華2， 楊 貴2

(1. 中國南方電網電力調度控制中心，廣州 510663；2. 南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100)

IEC 62439-3標準詳細描述了并行冗余協議(PRP)和高可用性無縫冗余協議(HSR)。但是這兩種冗余功能對上層應用透明，監控系統無法識別單一鏈路故障。為了解決該問題，實現PRP、HSR冗余網絡的良好維護體驗，分析了PRP、HSR冗余的實現過程，研究了監測幀的作用原理，構建了一個基于監測幀的冗余網絡監視系統，給出了具體的冗余監測原理和流程，總結分析了該系統的優點，為智能變電站的網絡冗余監測提供了一種有效的方案。

并行冗余協議；高可用性無縫冗余協議；監測幀；冗余網絡；監視系統；智能變電站

0 引言

IEC 62439-3標準[1]描述了高可用性無縫冗余協議(HSR)、并行冗余協議(PRP)兩種冗余網絡通信機制，其中HSR采用環網拓撲結構，PRP采用雙星型網絡拓撲結構。RedBox(redundancy box)可實現HSR與PRP網絡、PRP/HSR網絡與RSTP(rapid spanning tree protocol)網絡的互通[2，3]。PRP/HSR冗余網絡的特點是網絡冗余，向應用層只上送一份數據，降低了對嵌入式硬件資源的使用需求[4-6]。但與此同時，相對傳統STP(spanning tree protocol)雙網，PRP/HSR冗余網絡也帶來了額外的問題，即增加了雙網告警困難度，無法實現邏輯鏈路的A、B網狀態的單獨識別[7，8]。

考慮到IEC 62439-3標準本身就支持監測幀傳輸，這樣不需要額外建模就可以實現監測信息獲取。因此可以基于監測幀建立一套PRP/HSR冗余網絡監視系統，從而提供冗余網絡任一網絡或者任何一個方向上的異常告警信息，提升網絡運維體驗。

1 PRP和HSR冗余協議

PRP和HSR作為IEC 62439-3標準重點推薦的兩種網絡冗余協議，其基本原理非常類似，二者都可以實現零恢復時間的網絡自愈[9，10]。而且PRP和HSR可以適應多種網絡拓撲結構，通過鏈路層冗余單元(LRE)可以實現對上層應用透明，從而達到理想的冗余效果。

1.1 PRP協議原理

PRP實現冗余依賴于支持PRP的網絡節點(DANP)，每個DANP節點都有兩個獨立運行的端口，這兩個端口又分別連接到兩個獨立并行工作的局域網上。DANP發出的報文將被復制成兩份，分別發送到兩個局域網上共同的目的節點。目的節點則將先到達的報文幀轉發給上層用戶數據協議(UDP)或者傳輸控制協議(TCP)，后到的幀將被丟棄[11,12]。由此可以看出，任何一個獨立網絡發生故障，對于接受報文的DANP來說，沒有任何影響，因為報文還可以通過另一個網絡送過來，從而實現冗余通信。

1.2 HSR協議原理

HSR實現冗余的思路與PRP基本相同，只不過HSR主要依靠兩個獨立的物理端口為系統提供冗余，并且其網絡結構為環形。依賴于支持HSR的網絡節點(DANH)通過兩個端口同時向環網發送報文[13,14]。此時當另一個DANH節點接收到該報文時，將依據不同的情況對報文進行不同的處理：

(1) 首先判斷報文幀是不是廣播幀，若是則接收并轉發。

(2) 若不是廣播幀，則檢查其目的鏈路(MAC)地址是否為本DANH節點MAC地址，若不是則通過另一個端口將報文幀轉發，若是則進一步判斷是否是第一次收到該幀，如果是第一次收到該幀則接收并轉發給上層UDP或TCP，如果是重復幀則丟棄。

2 PRP和HSR監測幀分析

利用監測幀來實現冗余網絡監視，要求PRP、HSR網絡所有節點都開啟監測幀功能。IEC 62439-3規定了PRP、HSR監測幀的格式，由于其具有通用性，因此可省去不少建模工作。

2.1 PRP監測幀

一個完整的PRP監測幀如圖1所示。

關鍵字段含義如下：PRP_DestinationAddress為預留的多播地址;SourceAddress為節點MAC地址;SupSequenceNumber為監測幀序列號;MacAddress為被兩個端口使用的MAC 地址。

另外，TLV2.Type和TLV2.Length以及RedBoxMacAddress為RedBox監測幀特有，若節點不是RedBox則沒有這幾個字節。Padding是70個(無VLAN標記)或者74個 (有VLAN標記)避免填充的字節。

當從任一個局域網接收到PRP監測幀時，伴隨著在幀中標示的復制幀接收和復制幀丟棄的工作模式，節點應該根據接收來的消息體里包含的源MAC地址信息在節點表中創建入口地址，而不是源地址。

如果一個節點停止接收來自一個源節點的監測幀的時間超過了NodeForgetTime，但是這個節點僅從其中的一個局域網上接收那個源節點的幀數據，此時它應該改變源節點的狀態到網絡A或網絡B，這取決于接收的幀來自哪個局域網。

2.2 HSR監測幀

一個完整的HSR監測幀如圖2所示。

圖2 HSR監測幀示意圖Fig.2 Schematic diagram of HSR detecting frame

此幀的結構和PRP監測幀結構基本相同，其含義不再多述。當網絡接收到第一個從任意環網接口過來的HSR監測幀時，接收節點在節點表中創建一個結構體入口，記錄接收到的消息體指明的源MAC地址，而不是幀中的源地址，同時注明這個幀來自哪個端口。

3 基于監測幀的冗余網絡監視系統

PRP、HSR冗余網絡在智能變電站的具體實施過程中，其組網方式靈活多變，既可以采用PRP或者HSR單一方式實現冗余，又可以二者同時使用。

3.1 冗余網絡監視系統框架

圖3所示的數字化變電站冗余網絡結構，由站控層PRP網絡、過程層PRP網絡、間隔HSR環網組成[15]。二次設備可通過站控層網絡、過程層網絡將PRP/HSR節點統計信息(包括應用層鏈路告警以及冗余網絡任一網絡異常告警等)，發送到網絡運維管理單元，由網絡運維管理單元完成運維預警提示任務[16]。網絡運維管理單元是一個邏輯單元，可由多個物理設備組合完成管理功能。冗余網絡監視系統示意如圖3所示。

3.2 網絡運維監視系統信息處理流程

由于每個PRP或者HSR節點都會周期性地發送PRP/HSR監測幀，那么每個節點都應該接收到相應的監測幀[17]。如果在特定的時間內，某個節點的監測幀沒有接收到，就可以認為該節點和本節點失去聯系，節點表(NotesTable)中該節點信息將會被刪除；若能再次接收到，那么在節點表中將會再次建立該節點的信息。同時，冗余監測還要根據節點表信息和監測幀調整全網節點冗余狀態。當某一節點的NotesTable表中的一個節點信息被刪除，監視系統檢測到該變化，結合該刪除節點發送監視幀的接收情況，判斷出具體的故障位置，給出通信中斷位置，監視系統判別出故障點并給出故障點顯示，幫助用戶排除故障。節點冗余監測的具體實現方法如圖4所示。

圖3 冗余網絡監視系統Fig.3 Schematic diagram of redundancy network supervision system

圖4 冗余監測流程Fig.4 Schematic diagram of redundancy detecting

最后，每個節點將各自節點表所包含的統計信息分別發送給網絡運維單元，網絡運維單元根據這些統計信息以及全網節點冗余狀態，并結合智能站SCD網絡模型[18]，統一實現網絡監視與智能預警。

由此可見，冗余網絡監視系統主要由三部分組成。

(1) PRP/HSR節點周期性的發送監測幀報文，并且在接收到監測幀后完成NodesTable更新以及信息統計工作，同時完成節點冗余狀態的調整。

(2) 智能站GOOSE網絡把PRP/HSR節點NodesTable統計信息上送到網絡運維管理單元。

(3) 網絡運維管理單元獲取所有PRP/HSR節點統計信息、全網節點冗余狀態信息，并結合SCD與網絡建模，提供網絡運維管理智能預警信息。

3.3 基于監測幀的冗余網絡監視系統的優點

綜上所述，基于監測幀的冗余網絡監視該系統具有如下優點。

(1) 源MAC免配置：源MAC為自主學習過程，完全依賴SCD模型，并可自動適應PRP/HSR板卡更換帶來的源MAC變化帶來的問題。

(2) 可針對裝置預警：依據源MAC的自主學習找到對應的二次設備，并直接根據二次設備的名稱(SCD文件的描述)直接預警。

(3) 可評估網絡運行狀態：網絡運維管理單元獲取了所有二次設備的NodesTable核心信息，甚至可通過大數據統計做網絡運行狀態評估。

4 結語

PRP和HSR這兩種冗余協議實現了零恢復時間的網絡自愈，因此在智能站工程化應用中具有重要意義。但是由于PRP和HSR冗余對上層應用完全透明，因而在發生單一鏈路故障時，監控系統不容易發覺。本文在充分理解PRP和HSR冗余原理的基礎上，提出了基于監測幀的冗余網絡監視系統方案，首先搭建了一個PRP/HSR冗余網絡監視系統框架，然后具體闡述了監測幀網絡監視原理和流程，最后分析了該系統的優點，為智能站的冗余網絡監視提供了一種切實可行的實施方案。

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唐孝舟(1986— )，男，湖北黃岡人,工程

師，從事變電站自動化監控、新能源發電相關研究工作(tangxz@nrec.com);

張喜銘(1980— )，男，吉林延吉人,高級工程師,從事電力自動化研究與技術管理工作(zhangxm@csg.cn);

李廣華(1977— )，男，河北冀州人,高級工程師,從事變電站通信,網絡安全領域的研發工作(ligh@nrec.com);

楊 貴(1976— )，男，吉林柳河人,高級工程師,從事電力系統通信、傳輸技術等領域的研發工作(yangg@nrec.com)。

(編輯 劉曉燕)

The Implementation of PRP and HSR Redundancy Network Supervision SystemBased on Detecting Frame

GAO Hongliang1, TAO Wenwei1, TANG Xiaozhou2,ZHANG Ximing1, LI Guanghua2,YANG Gui2

(1. Power Dispatching and Control Center of China Southern Power Grid, Guangzhou, 510663, China;2. Nanjing NARI-relays Electric Co. Ltd.，Nanjing，211100，China)

IEC62439-3 describes parallel redundancy protocol (PRP) and high availability seamless redundancy (HSR) in detail. However, these redundancy protocols are transparent to upper layer, supervision system cannot identify the single link failure. In order to resolve this problem and achieve good maintenance experience of PRP and HSR redundant network, the implementation process of PRP and HSR redundancy is analyzed, the action principle of detecting frame is researched, and a redundancy network supervision system based on detecting frame is built. The specific redundancy detecting principle and implementation method are put forward, and the advantages of this system are summarized and analyzed, which provides an effective solution for the redundancy network supervision of smart substation.

PRP; HSR; detecting frame; redundancy network; supervision system; smart substation

2017-02-02；

2017-03-08

中國南方電網公司科技項目(ZDKJQQ00000016)

TM 769；TP393

A

2096-3203(2017)04-0065-05

高紅亮

高紅亮(1982—)，男，黑龍江齊齊哈爾人,工程師，從事電力自動化研究與技術管理工作(gaohl@csg.cn)；

陶文偉(1973—)，男，浙江臨海人,教授級高級工程師，從事電力自動化、網絡安全研究與技術管理工作(taoww@csg.cn)；