ความพร้อมใช้งานสูง การสำรองข้อมูลแบบไร้รอยต่อ
เครือข่ายการสื่อสารอุตสาหกรรม: ความพร้อมใช้งานสูง และความซ้ำซ้อนที่ราบรื่น
การทำงานของเครือข่าย HSR (มัลติแคสต์)
คำย่อ	เอชเอสอาร์
สถานะ	คล่องแคล่ว
ปีเริ่มต้น	25 กุมภาพันธ์ 2553 ( 25 กุมภาพันธ์ 2553 )
เผยแพร่ครั้งแรก	25 กุมภาพันธ์ 2553 ( 25 กุมภาพันธ์ 2553 )
เวอร์ชั่นล่าสุด	4.00 21 เมษายน 2566 ( 21 เมษายน 2023 )
องค์กร	คณะกรรมการเทคนิคไฟฟ้าสากล
ชุด	IEC 62439
บรรณาธิการ	คณะกรรมการเทคนิคไฟฟ้าสากล
ผู้เขียน	คณะกรรมการทางเทคนิค IEC 65/SC 65C เครือข่ายอุตสาหกรรม/WG 15 เครือข่ายความพร้อมใช้งานสูง
มาตรฐานที่เกี่ยวข้อง	โปรโตคอล Rapid Spanning Tree, IEEE 802.1Q โปรโตคอลความซ้ำซ้อนของสื่อ IEC 62493-2 โปรโตคอลความซ้ำซ้อนแบบขนาน IEC 62439-3 โปรโตคอลความซ้ำซ้อนแบบเชื่อมโยง IEC 62439-4 โปรโตคอลความซ้ำซ้อนของบีคอน IEC 62439-5 เส้นทางที่สั้นที่สุดที่เชื่อมต่อ IEEE 802.1aq
โดเมน	อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรม
เว็บไซต์	https://www.iec.ch/

ระบบความพร้อม ใช้งานสูงแบบไร้รอยต่อ (High-availability Seamless RedundancyหรือHSR ) เป็นโปรโตคอลเครือข่ายสำหรับอีเธอร์เน็ตที่ให้การสลับการทำงาน อย่างราบรื่น เมื่อส่วนประกอบเครือข่ายใดๆ ล้มเหลว โปรโตคอล PRP และ HSR เป็นอิสระจากโปรโตคอลแอปพลิเคชันและสามารถใช้งานได้กับ โปรโตคอล อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรม ส่วนใหญ่ ในชุดมาตรฐาน IEC 61784 HSR ไม่ครอบคลุมความล้มเหลวของโหนดปลายทาง แต่สามารถเชื่อมต่อโหนดสำรองผ่าน HSR ได้

โหนด HSR มีสองพอร์ตและทำหน้าที่เป็นบริดจ์ซึ่งช่วยให้สามารถจัดเรียงเป็นโครงสร้างแบบวงแหวนหรือแบบตาข่ายได้โดยไม่ต้องใช้สวิตช์เฉพาะ ซึ่งแตกต่างจากมาตรฐานParallel Redundancy Protocol (PRP) ^{[ 1 ]}ที่ HSR ใช้หลักการทำงานร่วมกัน PRP และ HSR ได้รับการกำหนดมาตรฐานโดยIEC 62439-3:2016 ^{[ 2 ]}

PRP และ HSR เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการความพร้อมใช้งานสูงและเวลาสลับสั้น^{[ 3 ]}สำหรับแอปพลิเคชันดังกล่าว เวลากู้คืนของโปรโตคอลที่ใช้กันทั่วไป เช่นRapid Spanning Tree Protocol (RSTP) นั้นนานเกินไป มีการนำมาใช้สำหรับ การทำงานอัตโนมัติ ของสถานีไฟฟ้าย่อยในกรอบของIEC 61850 [ ^{4 ] ใช้}ในไดรฟ์แบบซิงโครไนซ์ (เช่น ในเครื่องพิมพ์) และอินเวอร์เตอร์กำลังสูง

ต้นทุนของ HSR คือโหนดต่างๆ จำเป็นต้องมีฮาร์ดแวร์สนับสนุน ( FPGAหรือASIC ) เพื่อส่งต่อหรือทิ้งเฟรมภายในเวลาไมโครวินาที ต้นทุนนี้ได้รับการชดเชยเนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้สวิตช์อีเธอร์เน็ต อย่างไรก็ตาม การสนับสนุนฮาร์ดแวร์ก็จำเป็นอยู่แล้วเมื่อโหนดนั้นรองรับการซิงโครไนซ์นาฬิกาหรือระบบรักษาความปลอดภัย

• 
  การทำงานของเครือข่าย HSR (มัลติแคสต์)
• 
  รูปแบบเฟรม HSR (พร้อมแท็ก)
• 
  ปฏิสัมพันธ์ของโหนด HSR (DANH)

โหนดเครือข่าย HSR (DANH) มีพอร์ต อีเธอร์เน็ตอย่างน้อยสองพอร์ต โดยแต่ละพอร์ตเชื่อมต่อกับโหนด HSR ข้างเคียง ทำให้มีเส้นทางสองเส้นทางระหว่างสองโหนดเสมอ ดังนั้น ตราบใดที่เส้นทางหนึ่งใช้งานได้ แอปพลิเคชันปลายทางจะได้รับเฟรมหนึ่งเฟรมเสมอ โหนด HSR จะตรวจสอบความซ้ำซ้อนอย่างต่อเนื่องเพื่อตรวจจับความล้มเหลวที่อาจเกิดขึ้น

โดยทั่วไป HSR จะถูกใช้ในโทโพโลยีแบบวงแหวนหรือในโทโพโลยีแบบตาข่าย อื่น ๆ

อุปกรณ์ที่มีการเชื่อมต่อเพียงจุดเดียว (เช่น เครื่องพิมพ์) จะเชื่อมต่อผ่านกล่องสีแดง (RedBox หรือ Redundancy Box)

สามารถเชื่อมต่อแบบสำรองไปยังเครือข่ายอื่นได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งไปยัง เครือข่าย Parallel Redundancy Protocol (PRP)

เนื่องจาก HSR และ PRP ใช้กลไกการระบุตัวตนซ้ำแบบเดียวกัน เครือข่าย PRP และ HSR จึงสามารถเชื่อมต่อกันได้โดยไม่มีจุดล้มเหลวเพียงจุดเดียว และสามารถสร้างโหนดเดียวกันเพื่อใช้ในทั้งเครือข่าย PRP และ HSR ได้

โหนด HSR ทุกโหนดเป็นโหนดสวิตช์ กล่าวคือ สามารถส่งต่อเฟรมที่ได้รับบนพอร์ตหนึ่งไปยังพอร์ตอื่นอย่างน้อยหนึ่งพอร์ตในโหมดส่งผ่านโดยตรงได้

โหนดต้นทางจะส่งเฟรม เดียวกัน ผ่านพอร์ตทั้งหมดไปยังโหนดข้างเคียง

ในสภาวะที่ไม่มีข้อผิดพลาด โหนดปลายทางควรได้รับเฟรมที่เหมือนกันสองเฟรมภายในช่วงเวลาคลาดเคลื่อนที่กำหนด ส่งต่อเฟรมแรกไปยังแอปพลิเคชัน และทิ้งเฟรมที่สองเมื่อ (และหาก) มันมาถึง

โหนดจะส่งต่อเฟรมเว้นแต่จะตรวจพบเฟรมที่ตนเองส่งไปหรือส่งไปแล้ว เพื่อลดปริมาณการรับส่งข้อมูลแบบยูนิคาสต์ โหนดจะไม่ส่งต่อเฟรมที่ตนเองเป็นปลายทางเพียงผู้เดียว (โหมด U) อย่างไรก็ตาม หลักการนี้ไม่ใช้เมื่อจำเป็นต้องมีการตรวจสอบการรับส่งข้อมูล

เพื่อลดปริมาณการรับส่งข้อมูล โหนดอาจงดเว้นการส่งเฟรมที่ได้รับจากทิศทางตรงข้ามบนพอร์ตเดียวกัน (โหมด X) ^{[ 5 ]}แต่สิ่งนี้ไม่ใช้กับเฟรมทั้งหมด

นอกจากนี้ อัลกอริทึมหลายตัวที่อาศัยการเรียนรู้ตำแหน่งโหนดเครือข่ายยังสามารถใช้ในการลดปริมาณการรับส่งข้อมูล HSR เช่น Port Locking และ Enhanced Port Locking (PL) และ (EPL) ตามลำดับ ซึ่งทำงานโดยการปิดพอร์ตที่นำไปสู่โหนดที่ไม่มีอยู่จริง^{[ 6 ]}

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เฟรม Precision Time Protocol (มัลติแคสต์) จะไม่มีสำเนาซ้ำกัน เนื่องจากแต่ละโหนดจะทำการแก้ไขเฟรมเหล่านี้เพื่อปรับเวลาให้ถูกต้อง เฟรมเหล่านี้สามารถรับคืนได้โดยโหนดที่ส่งเฟรมนั้นเข้ามาแต่แรก หรือโดยโหนดอื่นที่เคยส่งเฟรมนั้นมาก่อนแล้ว นอกจากนี้ โหมดนี้ไม่สามารถใช้ได้เมื่อต้องการการทำงานที่แน่นอน

เฟรมเฉพาะลิงก์ เช่น เฟรมLLDP หรือเฟรม Pdelay_Req / Pdelay_Resp Precision Time Protocol จะได้รับการจัดการเป็นพิเศษ โดยจะไม่สนใจแท็ก HSR แต่ต้องมีแท็กนี้อยู่ด้วย

เพื่อลดความซับซ้อนในการตรวจจับเฟรมซ้ำ เฟรมจะถูกระบุด้วยที่อยู่ต้นทางและหมายเลขลำดับที่เพิ่มขึ้นสำหรับแต่ละเฟรมที่ส่งตามโปรโตคอล HSR หมายเลขลำดับ ขนาดเฟรม และตัวระบุเส้นทางจะถูกเพิ่มเข้าไปในแท็ก HSR (ส่วนหัว) ขนาด 6 ไบต์

หมายเหตุ: อุปกรณ์รุ่นเก่าทั้งหมดควรยอมรับเฟรมอีเธอร์เน็ตได้สูงสุด 1528 ไบต์ ซึ่งต่ำกว่าขีดจำกัดทางทฤษฎีที่ 1535 ไบต์

ในวงแหวน HSR นั้น แบนด์วิดท์ของเครือข่ายจะพร้อมใช้งานสำหรับแอปพลิเคชันสำหรับทราฟฟิกมัลติแคสต์เพียงประมาณครึ่งหนึ่งเท่านั้น (เมื่อเทียบกับ RSTP) ทั้งนี้เพราะเฟรมทั้งหมดจะถูกส่งสองครั้งผ่านเครือข่ายเดียวกัน แม้ว่าจะไม่มีข้อผิดพลาดก็ตาม อย่างไรก็ตาม เนื่องจากโครงสร้างพื้นฐานของเครือข่ายก็เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าในโทโพโลยีแบบวงแหวนปิด แบนด์วิดท์ของเครือข่ายตามที่กำหนดจึงพร้อมใช้งาน ตัวอย่างเช่น ในวงแหวนอีเธอร์เน็ต 100 Mbit/s จะสามารถใช้งานได้ 100 Mbit/s (แต่ไม่ใช่ 200 Mbit/s)

เนื่องจากความล่าช้าในการส่งต่อของทุกโหนดในวงแหวน HSR จะเพิ่มเข้าไปในความหน่วงแฝงของเครือข่ายโดยรวม เฟรมจึงถูกส่งต่อภายในไมโครวินาที ในทางปฏิบัติ จำเป็นต้องมีการสนับสนุนฮาร์ดแวร์ ( FPGA ) ^{[ 7 ]} เพื่อลดความหน่วงแฝงต่อฮอปให้เหลือค่าที่เหมาะสม (ประมาณ 5 ไมโครวินาทีที่ 100 เมกะบิตต่อวินาที) โดยใช้การสลับแบบตัดผ่านเพื่อ จุดประสงค์นี้ แต่ละเฟรมจะมีแท็ก HSR ที่ช่วยให้สามารถระบุได้ว่าควรส่งต่อเฟรมหรือไม่ เพื่อหลีกเลี่ยงการจัดเก็บและส่งต่อซึ่งหมายความว่าเฟรมที่เสียหายจะไม่ถูกลบออกจากวงแหวนจนกว่าจะถึงโหนดที่ส่งเฟรมนั้นไปแล้ว

IEC 62439-3 ภาคผนวก C ระบุโปรไฟล์อุตสาหกรรมโปรโตคอลเวลาที่แม่นยำ (PIP L2P2P) ซึ่งอนุญาตให้มีการซิงโครไนซ์นาฬิกาด้วยความแม่นยำถึง 1 μs ในวงแหวนของโหนด HSR 16 โหนด โปรโตคอล PTP นี้ยังอนุญาตให้ดำเนินการวงแหวน HSR ได้อย่างแน่นอนสำหรับคลาสการรับส่งข้อมูลเฉพาะ เช่น ค่าที่สุ่มตัวอย่างใน^IEC 61850ได้รับการยอมรับโดย IEEE เป็นIEC/IEEE 61850-9-3 [ ^{8 ]}

• ความซ้ำซ้อน (ทางวิศวกรรม)
• วงแหวนแพ็กเก็ตที่ยืดหยุ่นได้
• โปรโตคอลต้นไม้แผ่ขยาย
• แหวนโทเค็น

เดิมที โปรโตคอลนี้มีชื่อว่า HASAR ซึ่งมาจากอักษรตัวแรกของชื่อบริษัททั้งห้าที่ทำงานให้กับบริษัทด้านไฟฟ้า (Hirschmann, ABB, Siemens, Alstom และ RuggedCom) ต่อมาฝ่ายการตลาดได้เปลี่ยนชื่อเป็น HSR ซึ่งย่อมาจาก "High-availability Seamless Ring" แต่ HSR ไม่ได้จำกัดอยู่แค่โครงสร้างแบบวงแหวนธรรมดาเท่านั้น

• ไฮน์, โฮลเกอร์; ไคลน์เบิร์ก, โอลิเวอร์; "โปรโตคอลความซ้ำซ้อนแบบไร้รอยต่อที่มีความพร้อมใช้งานสูง (HSR): เครือข่ายที่ทนต่อความผิดพลาดอย่างแข็งแกร่งและการป้องกันลูปผ่านการทิ้งข้อมูลที่ซ้ำกัน", WFCS 2012, เลมโก, เยอรมนี
• ไฮน์, โฮลเกอร์; บินดริช, ไดอานา; " การออกแบบเครือข่ายการสื่อสารสถานีไฟฟ้าย่อย IEC61850 ประสิทธิภาพสูงที่เชื่อถือได้บนพื้นฐานของโครงสร้าง PRP และ HSR " ใน การประชุมและนิทรรศการนานาชาติว่าด้วยการจำหน่ายไฟฟ้า (CIRED 2013) ครั้งที่ 22 สตอกโฮล์ม สวีเดน
• โฮกา, เคลเมนส์ " โซลูชันเครือข่ายและความสามารถในการใช้งานในแอปพลิเคชันสถานีไฟฟ้าย่อย " ใน PacWorld, กันยายน 2010
• Ilie, Diana; Honegger, Claudio; Kirrmann, Hubert; Sotiropoulos, Ioannis " ประสิทธิภาพของการใช้งาน PTP แบบฮาร์ดแวร์เต็มรูปแบบสำหรับเครือข่ายอัตโนมัติสถานีไฟฟ้าย่อย IEC 61850 ที่มีความซ้ำซ้อนตามมาตรฐาน IEC 62439-3 " ISPCS 2012

• IEC 62439-3
• บทแนะนำเกี่ยวกับ HSR
• คู่มือการใช้งานโปรโตคอลการสำรองข้อมูลแบบขนาน (Parallel Redundancy Protocol - PRP)
• คู่มือเกี่ยวกับโปรไฟล์โปรโตคอลเวลาที่มีความแม่นยำสูงและทนต่อข้อผิดพลาดในมาตรฐาน IEC 62439-3
• ฐานข้อมูล IEC 62439-3 เนื้อเยื่อ (ปัญหาทางเทคนิค) สำหรับ IEC 62439-3 / IEC/IEEE 61850-9-3
• ZHAW (High-availability Seamless Redundancy Protocol) โปรโตคอลความพร้อมใช้งานสูงแบบไร้รอยต่อถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 6 กุมภาพันธ์ 2017 ที่Wayback Machine
• MOXA โซลูชันสำหรับสถานีไฟฟ้าย่อย PRP/HSR
• HIRSCHMANN HSR ระบบสำรองข้อมูลแบบไร้รอยต่อที่มีความพร้อมใช้งานสูง
• Flexibilis ระบบสำรองข้อมูลแบบไร้รอยต่อที่มีความพร้อมใช้งานสูง (HSR)
• เครือข่ายสำรองของซีเมนส์สำหรับอุตสาหกรรมเก็บถาวรเมื่อ 2017-02-06 ที่Wayback Machine
• เส้นทางการย้ายระบบของ RuggedCom สำหรับเครือข่ายการสื่อสารสถานีไฟฟ้าย่อย IEC 61850 สู่ระบบสำรองข้อมูลที่ยอดเยี่ยมโดยใช้โครงสร้างแบบไฮบริด PRP และ HSR ( เก็บถาวรเมื่อ 2017-02-06 ที่Wayback Machine)
• netModule PRP และ HSR Protokolle für Redundantes Industrielles Ethernet ถูกเก็บถาวร 2017-02-06 ที่Wayback Machine