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Protocolos redundantes de comunicación industrial PRP y HSR

Los protocolos redundantes de comunicación industrial son de suma importancia en gran parte de los sistemas industriales por eso hablamos de  los protocolos redundantes PRP y HSR

Protocolos redundantes de comunicación industrial PRP y HSR

Los sistemas de comunicación industrial han evolucionado de una manera vertiginosa en los últimos años hasta el punto de convertirse en procesos completamente automatizados llevando la interacción del usuario a su mínima expresión, limitándose a controlar las interrupciones críticas de ciertos procesos o el tiempo de respuesta requeridos por los mismos.

Es por ello que elegir correctamente los protocolos de red es parte esencial del diseño de redes industriales dentro de cualquier organización, porque mantiene la seguridad dentro de los sistemas críticos.

Es por eso que los protocolos redundantes de comunicación industrial al igual que el tiempo que toma en recuperar una pérdida de enlace es de suma importancia en gran parte de los sistemas industriales debido a que los protocolos tradicionales de comunicación industrial solo entran en actuación cuando deben recalcular todo el proceso de comunicación de falla en un enlace. En este sentido los protocolos redundantes de comunicación industrial son transparentes con las capas superiores a la hora de notificar una falla con la ventaja de que el tiempo que toma recalcular el proceso de comunicación de falla es mucho menor.

En el campo de las redes industriales y dentro de un evento crítico, incrementar el retardo en milisegundos a la hora de dar una notificación puede ser igual de grave que perder los datos del sistema. Por ese motivo, hablaremos sobre los protocolos redundantes de comunicación industrial PRP y HSR y su importancia.

Qué son los protocolos redundantes de comunicación industrial PRP y HSR?

Protocolo redundante de comunicación industrial PRP

El protocolo de comunicación industrial PRP asegura la alta disponibilidad y reducir el tiempo de recuperación de red y por lo tanto el de tiempo de transmisión a “cero” por igual. Este protocolo se basa en el uso de dos redes independientes en todos los niveles llamadas  generalmente“LAN A” y “LAN B” para enviar el mismo mensaje a la vez en las dos redes. Por lo que el dispositivo debe enviar por cada una de sus dos interfaces de red, una trama con la misma dirección MAC y la misma dirección IP por un puerto diferente en ambas redes a la hora de iniciar la comunicación.

En el protocolo PRP no cambian la estructura de las redes ni la configuración de los enrutadores si se está utilizando o no. La latencia de ambas redes tiene que ser parecida, pero nunca igual, aunque si las latencias son muy diferentes, la trama llega por una sola red y se debe esperar a que llegue por la segunda debido al retraso entre las mismas.

El protocolo PRP se encuentra encapsulado dentro de una trama de red IP, representando una enorme ventaja debido a que la red es totalmente permisiva y transparente al uso del protocolo, por que un dispositivo que utilice el protocolo PRP puede comunicarse perfectamente con dispositivos que no lo utilicen sin ningún inconveniente. Al tener en cuenta esta útil ventaja que posee el protocolo PRP, se pueden encontrar dos clases de dispositivos en cada una de las redes industriales que se encuentran en la organización. El dispositivo de redundancia integrada “DANP (Double Attached Node implementing PRP)” y un dispositivo que no posee redundancia “SAN (Single Attached Node)”.

Los dispositivos DANP aplican una operativa adicional propia de este protocolo que se encarga del duplicado de las tramas y de la gestión de las tramas redundantes, esta operativa recibe el nombre de “LRE (Link Redundancy Entity)” y es totalmente transparente al resto de las capas del modelo OSI trabajando a nivel de capa 2.

Las funciones realizadas por el LRE son las siguientes:

 - Recibir una trama de la capa 3 de enlace. Ante este evento, crea dos nuevas tramas añadiendo después de la cabecera IP una serie de bytes llamados “RCT (Redundancy Control Trailer)”.

- Enviar a la vez las dos tramas, por su correspondiente puerto, a cada una de las dos redes independientes.

- En el receptor, el LRE se encarga de remover el RCT y enviar la trama a las capas superiores. Existen varias formas de configurar el algoritmo de descarte de las tramas, lo normal es que se configure para descartar la trama duplicada en el LRE, otra configuración válida es el envío de las tramas duplicadas a las capas superiores. Normalmente se guarda el ID de la trama y cuando llega otra con el mismo ID se descarta.

Las principales características del protocolo PRP son las siguientes:

 - Las redes LAN A y LAN B tienen que ser independientes en caso de fallo y operan en paralelo. Tienen que disponer de latencias parecidas. Las redes LAN A y LAN B no tienen que ser idénticas.

- Todos los dispositivos SAN deben estar solamente conectados a una de las dos redes LAN sin importar si es A o B.

- Los switches de LAN A y los switches de la LAN B son considerados SAN.

- Todos los DANP tienen que conectar a ambas redes. Tienen que poseer la misma IP y la misma MAC en los puertos A y B y ser única en la red.

 

Protocolo redundante de comunicación industrial HSR 

El Protocolo redundante de comunicación industrial HSR al igual que el protocolo PRP garantiza una alta disponibilidad mientras reduce el tiempo de recuperación de red y por lo tanto la transmisión a cero. Al tomar una redundancia dentro de un dispositivo en la capa 3, que terminan convirtiéndose en dos tramas de protocolo HSR idénticas que son enviadas a través de dos puertos del dispositivo hacia una red con topología de anillo en direcciones opuestas. Los dispositivos conectado a esta red de anillo reciben el nombre de “DANH (Double Attached Node implementing HSR)”.

El modo de operación del protocolo HSR es muy diferente a a del protocolo PRP a pesar de que ambos actúan en la capa 2 del enlcane, pero con la diferencia de que en vez de trabajar con una trama estándar Ethernet dentro del campo de datos, el protocolo HSR modifica las cabeceras de estas tramas Ethernet añadiendo nuevos campos, por lo que la red debe ser exclusivamente de uso de nodos DANH.

Las principales diferencias con el protocolo PRP son:

- Existe una única red LAN con topología obligada en forma de anillo.

- Todos los dispositivos existentes en esta red deben entender el protocolo HSR. Ya que trabaja con nodos DANH.

- Los switches son dispositivos SAN, por lo que no pueden insertarse dentro de la red de anillo.

- Los dispositivos incorporan una operativa para enviar y recibir tramas. Al estar todos los nodos conectados entre sí, deben añadir una funcionalidad extra que actúa como puente para todas las tramas en las que no interviene como origen o destino. Simplemente reenvía las tramas recibidas en un puerto por el otro, dejando “fluir” las tramas hacia su destino.

Los dispositivos SAN, mediante un dispositivo intermedio llamado “RedBox (Redundancy Box)”, permiten convertirse en dispositivos “VAND (Virtual Doubly Attached Node)” tanto para protocolos HSR como para protocolos PRP. Esto permite integrar cualquier dispositivo a la red de redundancia.

Los dispositivos RedBox tienen dos características bastante peculiares que son:

- Trabajan de forma independientes del dispositivo que redundan.

- Son completamente reutilizables, por lo que pueden cambiar de dispositivo, de red o de protocolo sin realizar modificaciones.

Cabe resaltar que los dispositivos más actuales del tipo RedBox son muy versátiles y configurables por el administrador, ya que tienen como características principales:

- Permiten elegir el protocolo de salida HSR o PRP.

- Permiten la duplicidad de tramas para más de un dispositivo a la vez, gracias a listas blancas de IP por ejemplo.

- Pueden ser reconfigurados de manera remota. Permiten eliminar un dispositivo redundado de la red sin necesidad de una parada o recableado manual, resultando muy económicos y ahorrativos de tiempo.

- Disponen de mecanismos de seguridad configurables, como SSL y elección de autenticación mediante varios sistemas.

 

Redes y Seguridad

Los protocolos redundantes de comunicación industrial PRP y HSR mejoran dos de los tres pilares de la seguridad, disponibilidad y la integridad de las redes industriales, debido a la duplicidad que realizan de los mensajes. Pero no aportan mayor grado de confidencialidad a los mismos, por lo que no incrementan el nivel de seguridad desde el punto de vista lógico.

Estos protocolos trabajan en las capas bajas del modelo OSI, por lo que hay que asegurarse de que los protocolos que se utilicen sobre ellos, sobre todo en la capa de aplicación, aporten ese nivel de seguridad que estos protocolos no disponen para evitar otro tipo de inconvenientes como violación de códigos de seguridad. Por lo que antes de comenzar a utilizar estos protocolos se debe realizar un análisis a fondo de la necesidades de la industria, tomando en cuenta el coste de implementación y el mantenimiento de todos los dispositivos necesarios para su implementación en el aspecto técnico y económico.

 

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