Was ist das Media Redundancy Protocol (MRP)?

Medienredundanzprotokolle überwachen Netzwerkpfade, um Single Points of Failure zu vermeiden und eine hohe Verfügbarkeit von Ethernet-Netzwerken sicherzustellen. Da Automatisierungssysteme zunehmend auf Ethernet-Netzwerke basieren, erfordert die Notwendigkeit der Fehlertoleranz redundante Netzwerkstrukturen. Der Broadcast-Charakter von Ethernet verhindert jedoch physische Schleifen, wodurch redundante Pfade inkompatibel werden. Medienredundanzprotokolle lösen diesen Konflikt, indem sie redundante Pfade logisch blockieren und einen davon aktiv und den Rest im Standby-Modus halten. Wenn der aktive Pfad ausfällt, leitet ein Protokoll den Datenverkehr auf einen Standby-Pfad um.

MRP, standardisiert in IEC 62439-2, berücksichtigt die Anforderungen industrieller Netzwerke. Es garantiert deterministische Umschaltzeiten – im schlimmsten Fall unter 500 ms, meist deutlich schneller – für Ringtopologien mit bis zu 50 Knoten. Jeder MRP-Knoten verfügt über zwei Ringports; Ein Knoten fungiert als Medienredundanz-Manager (MRM) überwacht den Ring auf Fehler. Wenn das MRM eine Unterbrechung erkennt, blockiert es den ausgefallenen Pfad und gibt die Blockierung des redundanten Pfads frei, wodurch die Konnektivität wiederhergestellt wird.

Wie funktioniert MRP?

Als Medienredundanzprotokoll stellt MRP die kontinuierliche Netzwerkverfügbarkeit im Falle eines Geräte- oder Verbindungsausfalls sicher. Dies geschieht durch die Umwandlung einer physischen Ringtopologie in eine logische Linientopologie für den Netzwerkverkehr.

Ein Netzwerkgerät fungiert als Media Redundancy Manager (MRM)

Der MRM überwacht den Ring, indem er Testrahmen zwischen seinen Ring-Ports sendet. Unter normalen Betriebsbedingungen blockiert das MRM einen seiner Ringports für den Netzwerkverkehr und erstellt so eine Linientopologie. Wenn das MRM jedoch seine Testrahmen nicht empfängt, was auf einen Netzwerkfehler hinweist, gibt es die Blockierung seines zuvor blockierten Ring-Ports frei. Diese Aktion stellt die Netzwerkkonnektivität über den sekundären Netzwerkpfad wieder her.

MRP bietet deterministische Umschaltzeiten

MRP garantiert je nach Parametersatz maximale Umschaltzeiten von 500 ms, 200 ms oder sogar 10 ms. Typische Umschaltzeiten betragen häufig die Hälfte bis ein Viertel dieser Werte. Beispielsweise erfolgt die Umschaltung bei einem MRP-Ring, der für eine maximale Umschaltzeit von 200 ms konfiguriert ist, normalerweise in 50 bis 60 ms. Dieser Determinismus sorgt für die vorhersehbare Netzwerkverfügbarkeit und -leistung, die für industrielle Umgebungen erforderlich sind.

MRP ist für Ringtopologien optimiert

Das Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) kann zwar auch bei Ringtopologien eingesetzt werden, ist jedoch nicht primär für diese konzipiert. MRP ist für Ringe mit bis zu 50 Geräten optimiert. Es vermeidet Probleme wie unvorhersehbare Rennbedingungen, die bei RSTP auftreten können. Für Netzwerkgeräte, die beide Protokolle unterstützen, bietet MRP normalerweise eine schnellere und deterministischere Umschaltung.

Hauptvorteile der Verwendung von MRP

Schnelle Erholungszeit

MRP bietet im Falle eines einzelnen Ausfalls eine Wiederherstellungszeit von 10 ms oder weniger und ermöglicht so eine unterbrechungsfreie Netzwerkkonnektivität. Dies erreicht das Protokoll, indem es das Netzwerk mithilfe von Testframes kontinuierlich auf Unterbrechungen überwacht und einen der Ringports präventiv blockiert, um Netzwerkschleifen zu vermeiden. Wenn eine Unterbrechung erkannt wird, gibt MRP umgehend die Blockierung des zuvor blockierten Ports frei, um eine Verbindung wiederherzustellen. Diese schnelle Wiederherstellungszeit ist für zeitkritische industrielle Steuerungssysteme und Automatisierung unerlässlich.

Fehlertoleranz

Die von MRP implementierte Ringtopologie enthält keine Single Points of Failure, da der Netzwerkverkehr in beide Richtungen um den Ring herum umgeleitet werden kann. Diese inhärente Redundanz bedeutet, dass der Ausfall eines einzelnen Netzwerkgeräts oder -kabels den Netzwerkbetrieb nicht stört. MRP kann solche Fehler erkennen und Datenpfade schnell neu konfigurieren, um sie zu umgehen. Diese Fehlertoleranz verleiht industriellen Netzwerken die Zuverlässigkeit und Betriebszeit, die sie benötigen.

Lastverteilung

Die Ringstruktur von MRP erleichtert auch den Lastausgleich, indem sie den Netzwerkverkehr in beide Richtungen fließen lässt. Durch die Weiterleitung des Datenverkehrs in die Richtung mit geringerer Überlastung trägt MRP dazu bei, Engpässe zu vermeiden und eine maximale Bandbreitennutzung sicherzustellen. Diese Funktion ist besonders nützlich für industrielle Netzwerke, die Anwendungen mit hoher Bandbreite wie Videoüberwachung nutzen.

Kompatibilität

MRP ist mit STP kompatibel, sodass die beiden Protokolle gemeinsam im selben Netzwerk betrieben werden können. MRP-Ringe können eine Verbindung zu STP-Netzwerken herstellen, wobei MRP den Ring verwaltet und STP Schleifen in der gesamten Netzwerktopologie verhindert. Diese Kompatibilität gibt Netzwerkadministratoren Flexibilität bei der Gestaltung industrieller Netzwerkinfrastrukturen.

Vergleich von MRP und RSTP

Als Industrieprotokolle müssen MRP und RSTP eine deterministische Fehlerbehebung ermöglichen, um eine hohe Verfügbarkeit sicherzustellen. MRP, ein Ringtopologieprotokoll, garantiert eine maximale Fehlerwiederherstellungszeit von 10 ms, indem ein Port an jedem Switch blockiert wird, um eine physische Schleife zu erstellen. Im Gegensatz dazu nutzt RSTP den 802.1w-Standard, um die Netzwerkverfügbarkeit in Mesh-Topologien zu erhöhen, die Wiederherstellungszeiten hängen jedoch von der Netzwerkkomplexität ab und können nur grob geschätzt werden. Während die Flexibilität von RSTP mehr Netzwerkoptionen ermöglicht, kann der strikte Determinismus von MRP für zeitkritische Anwendungen vorzuziehen sein.