High-availability Seamless Redundancy

High-availability Seamless Redundancy (HSR) — это протокол резервирования сетей передачи данных, предназначенный для обеспечения отказоустойчивости и нулевого времени восстановления (Zero Recovery Time) при сбоях в сети. Относится к классу протоколов, работающих на втором уровне модели OSI (канальный уровень), и стандартизирован Международной электротехнической комиссией (IEC) в рамках стандарта IEC 62439-3. Основное применение HSR находит в системах промышленной автоматизации, энергетики, транспорта и других критических инфраструктурах, где потеря данных или задержка при переключении на резервный путь недопустимы.

История и стандартизация

Протокол HSR был разработан как развитие идеи резервирования сетей с топологией «кольцо», в частности, протокола Parallel Redundancy Protocol (PRP), также описанного в IEC 62439-3. Если PRP предполагает параллельную передачу данных по двум независимым сетям, то HSR объединяет узлы в единое кольцо, где каждый узел является активным участником ретрансляции. Первая версия стандарта была опубликована в 2010 году, а последующие редакции (2012, 2016) уточнили механизмы работы, добавили поддержку виртуальных локальных сетей (VLAN) и улучшили совместимость с другими протоколами.

В России протокол HSR получил распространение в рамках внедрения цифровых подстанций (МЭК 61850) и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). В 2020-х годах велась работа по адаптации стандарта под требования российских нормативных документов, в частности, в области релейной защиты и противоаварийной автоматики.

Принцип работы

HSR основан на механизме дублирования кадров и их одновременной передачи по двум противоположным направлениям в кольцевой топологии. Каждый узел (устройство) в сети HSR имеет два порта, которые образуют кольцо. Когда узел отправляет кадр данных, он создаёт две копии: одна передаётся по часовой стрелке, другая — против часовой. Каждая копия содержит специальный заголовок HSR, который включает в себя:

• Идентификатор пути (Path ID) — указывает направление передачи (0 или 1).
• Порядковый номер (Sequence Number) — уникальный для каждого исходного кадра, позволяющий узлам-получателям распознавать дубликаты.
• Дополнительные поля для контроля целостности.

Узлы-получатели, приняв первый экземпляр кадра, обрабатывают его, а второй экземпляр, пришедший позже, отбрасывают на основе совпадения порядкового номера и адреса отправителя. Таким образом, при обрыве кольца в любом месте данные продолжают поступать по оставшемуся пути, и время восстановления связи составляет менее 1 миллисекунды (теоретически — нулевое, так как переключение происходит на уровне приёма кадра, а не на уровне протокола).

Топология и узлы

Сеть HSR может быть построена исключительно в виде кольца, где каждый узел является одновременно и источником, и ретранслятором. Однако существуют гибридные решения, например, HSR/PRP (также известный как HSR-сеть с резервированием через RedBox — Redundancy Box). RedBox — это устройство, которое позволяет подключать обычные узлы (без поддержки HSR) к сети HSR, преобразуя протоколы. В таких конфигурациях кольцо HSR может быть соединено с параллельной сетью PRP через специальные шлюзы.

Классификация и разновидности

Протокол HSR не имеет формальных подтипов, но различается по способу реализации и конфигурации:

• Чистый HSR (Pure HSR) — все узлы в кольце поддерживают протокол напрямую. Каждый узел имеет два порта и участвует в ретрансляции.
• HSR с RedBox — к кольцу подключаются обычные устройства (например, контроллеры без поддержки HSR) через RedBox, который выполняет функции дублирования и фильтрации кадров.
• HSR/PRP-гибрид — сеть, в которой часть узлов работает по протоколу HSR (кольцо), а часть — по PRP (две независимые сети). Соединение осуществляется через шлюзы (DAN — Dual Attached Node, SAN — Single Attached Node).

Характеристики и особенности

Преимущества

• Нулевое время восстановления — критически важно для систем релейной защиты и управления движением поездов.
• Простота топологии — кольцо не требует сложной настройки маршрутизации.
• Детерминированность — задержки предсказуемы, что важно для реального времени.

Недостатки

• Избыточный трафик — каждый кадр дублируется, что при большом количестве узлов может привести к перегрузке сети.
• Ограничение топологии — только кольцо, что не всегда удобно для разветвлённых сетей.
• Требования к оборудованию — все узлы должны поддерживать HSR (или использовать RedBox), что увеличивает стоимость.

Применение

Электроэнергетика

HSR активно применяется на цифровых подстанциях, где требуется передача сигналов релейной защиты и противоаварийной автоматики с минимальной задержкой. В России такие решения внедряются в рамках проектов «Цифровая подстанция» (например, ПС «Бурятская» 500 кВ, ПС «Медведевская» 220 кВ). Протокол используется для передачи аналоговых и дискретных сигналов по стандарту IEC 61850-9-2 (Sampled Values) и GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event).

Промышленная автоматизация

В системах управления технологическими процессами (SCADA) HSR обеспечивает отказоустойчивость на участках конвейеров, химических реакторов и других критических объектов. Например, на нефтеперерабатывающих заводах или в металлургии.

Транспорт

Применяется в системах управления движением поездов (например, на высокоскоростных магистралях) и в авиационной электронике. В России — в проектах по модернизации железнодорожной автоматики (РЖД).

Военная и космическая техника

Используется в бортовых системах летательных аппаратов и спутников, где требуется живучесть сети при повреждениях.

Сравнение с другими протоколами резервирования

HSR и PRP обеспечивают наилучшее время восстановления, но ценой постоянного дублирования трафика. RSTP и MRP более экономичны, но не подходят для критических систем реального времени.

Интересные факты

• Протокол HSR был разработан на основе исследований в области отказоустойчивых сетей для атомных электростанций.
• В стандарте IEC 62439-3 описано два протокола — HSR и PRP, которые часто путают. Основное отличие: в HSR узлы образуют кольцо, а в PRP — два независимых сегмента.
• В 2022 году компания Siemens (организация признана нежелательной в РФ в 2023 году) выпустила линейку коммутаторов, поддерживающих HSR, что способствовало его распространению в российской промышленности до введения санкционных ограничений.
• В России разработкой отечественных аналогов HSR-коммутаторов занимаются компании «Прософт-Системы» и «Эльстер Метроника» (в рамках импортозамещения).

Источники

1. IEC 62439-3:2016 — Industrial communication networks — High availability automation networks — Part 3: Parallel Redundancy Protocol (PRP) and High-availability Seamless Redundancy (HSR).
2. ГОСТ Р МЭК 62439-3-2016 — Сети промышленной связи. Сети автоматизации с высокой готовностью. Часть 3. Протокол параллельного резервирования (PRP) и протокол бесшовного резервирования с высокой готовностью (HSR).
3. IEEE 802.1Q — Virtual Local Area Networks (VLAN) standard.
4. Статья «Применение протоколов HSR и PRP в цифровых подстанциях» // Журнал «Электроэнергия», № 4, 2021.
5. Техническая документация компании Siemens — «Industrial Ethernet. HSR/PRP Configuration Guide», 2020.