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Protocolos de Redundância

em Redes Ethernet

Andreis
Tendências

10/05/24

Por: Cleiton Santos

Se você já utilizou algum switch gerenciável em sua aplicação, certamente já deve ter configurado ou, ao menos, ter ouvido falar a respeito dos protocolos de redundância, certo!? Bom, no artigo desta semana teremos por objetivo explanar a importância de um caminho redundante em sua rede Ethernet, assim como comentar brevemente sobre os principais protocolos de redundância (em Layer 2) que são utilizados na indústria e em processos críticos.

O conceito de redundância foi criado para solucionar um problema conhecido na indústria: o ponto simples de falha. Basicamente, a dependência de apenas um caminho de comunicação, a depender da topologia considerada, pode levar a completa desativação de um segmento da rede. Todavia, ao criar um link redundante, um outro problema surgia: o loop de rede, ou seja, quando um dispositivo pode ser acessado por mais de um caminho. Quando isso acontece, pacotes tendem a crescer de maneira exponencial na rede, fazendo com que haja o uso completo da banda disponível, levando ao travamento da capacidade de gerência/processamento do switching chip (seja de um switch, CLP, IHM, IED, entre outros equipamentos).

Logo, pesquisadores fizeram a seguinte pergunta: “como ter a redundância de caminhos, isto é, evitar o ponto simples de falha, porém sem a criação de loops de rede?”. Essa questão foi o ponto de ignição para o desenvolvimento dos protocolos de redundância, os quais tem por objetivo solucionar essa problemática, ou seja, tolerância à falha – seja de caminho simples e/ou de loop de rede.

Atualmente, há diversos protocolos de redundância disponíveis no mercado, sendo diferenciados por: protocolo normatizado/proprietário, topologias de rede, tempo de recuperação (ou convergência), entre outros critérios. Sendo assim, vale ressaltar que não existe protocolo bom ou ruim, mas sim um protocolo de redundância que melhor se adequa à sua aplicação.

Dentre os mais conhecidos, pode-se listar os seguintes protocolos:

RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol), também conhecido como “IEEE802.1w” ou “IEC62439-1”: versão aprimorada no precursor STP (Spanning Tree Protocol), este protocolo pode ser utilizado em qualquer topologia de rede, inclusive no tipo malha, não apresentando um número limite de equipamentos na rede; apesar da sua facilidade de implementação, o tempo de recuperação depende da localização da falha o qual pode variar substancialmente; o usuário deve atentar-se ao root bridge (prioridade), aos BPDU’s e aos custos dos links e portas;
MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol): uma variante especial do RSTP, pois opera com múltiplas instâncias; apesar do princípio de operação ser exatamente o mesmo que em sua variante com instância simples (e., RSTP), o MSTP utiliza VLANs, ou seja, segmenta-se a rede em VLANs e monitora-se os links pertencentes às mesmas, logo, observa-se uma maior flexibilidade de implementação, assim como o balanceamento de carga e caminhos presente na rede;
MRP (Media Redundancy Protocol), também conhecido como “IEC62439-2”: protocolo dedicado para uma topologia em anel com, no máximo, 50 equipamentos participantes no mesmo; uma vez que apenas duas portas são monitoradas por dispositivo, pois o equipamento está em anel, o tempo de convergência da rede é de 200ms ou 500ms – a escolha do tempo de convergência é feita pelo usuário; apesar do tempo ser um fator decisivo, a carga de dados nesta configuração tende a ser maior, pois os frames Ethernet concentram-se em apenas um link, visto que o caminho redundante é, obrigatoriamente, um dos links do “ring manager” (o gerenciador dos pacotes circulando na rede);
Fast-MRP (Fast–Media Redundancy Protocol): um caso especial do protocolo anterior, mas com um tempo de convergência substancialmente menor (de 30ms ou 10ms), o Fast-MRP necessita de um hardware específico para processar toda a informação em tão pouco tempo; neste caso, uma placa FPGA é usada para suprir essa necessidade de baixo tempo de convergência;
HIPER Ring (High Performance Redundancy Ring): muito similar ao protocolo MRP, porém é considerado um protocolo proprietário, uma vez que apenas alguns poucos fabricantes suportam o mesmo em seus dispositivos; o tempo de convergência é de 300ms ou 500ms (selecionável pelo operador), com o mesmo limite de equipamentos, isto é, até 50 equipamentos; a vantagem em se ter mais de um protocolo de anel disponível é que consegue-se utilizar o conceito de “acoplamento de protocolos em anel” (também conhecido como ring coupling), permitindo a criação da topologia do tipo anel-subanéis;
PRP (Parallel Redundancy Protocol), também conhecido como “IEC62439-3”: é um dos protocolos de redundância que apresenta a maior confiabilidade, isso porque o PRP é considerado um protocolo de redundância com tempo de recuperação de ‘0ms’, pois dispositivos SANs (ou seja, equipamentos comuns), por meio de RedBoxes, tem seus pacotes duplicados (e., enviados simultaneamente) em duas redes (A e B, as quais, em momento algum, devem estar diretamente conectadas, ou seja, são caminhos independentes); em resumo, o RedBox tem duas principais funções: 1) duplicar o pacote na rede; e, 2) aceitar o primeiro pacote recebido e descartar o segundo pacote; para tanto, uma placa FPGA é utilizada para garantir a alta disponibilidade e a confiabilidade da rede;
HSR (High-availability Seamless Redundancy), também conhecido como “IEC62439-3”: outro protocolo de redundância com tempo de convergência de ‘0ms’ é o HSR; assim como o PRP, o HSR envia simultaneamente o mesmo pacote por duas portas distintas, porém, neste caso, a topologia de rede é dedicada para anel; logo, somente dispositivos que suportam HSR podem participar do anel, portanto, os dispositivos SANs são colocados “dentro da rede” apenas com a ajuda dos RedBoxes (Redundancy Boxes); devido sua complexidade, a gestão dos pacotes duplicados é feita com o auxílio de uma placa FPGA dedicada.

Abaixo estão alguns exemplos de topologia de rede com a aplicação dos protocolos mais conhecidos, os quais foram brevemente comentados neste artigo técnico.

Figura 1 – Exemplo de topologia com o uso do protocolo RSTP: caminhos em stand-by são os mais distantes do root bridge.

Figura 2 – Exemplo de topologia com o uso dos protocolos para anel (MRP, Fast-MRP e HIPER Ring): caminho em stand-by está conectado ao ring manager.

Figura 3 – Exemplo de topologia com o uso do protocolo HSR: não há caminhos em stand-by, pois todos estão ativos, ou seja, há a duplicação de pacotes na rede.

Figura 4 – Exemplo de topologia com o uso do protocolo PRP: não há caminhos em stand-by, pois todos estão ativos, ou seja, há a duplicação de pacotes na rede.

Os protocolos listados acima foram apresentados de maneira isolada, porém, em alguns casos e contando com ajuda de acoplamentos de rede (network coupling), consegue-se unir diferentes protocolos em uma mesma rede. Logo, em redes de comunicação complexas é comum observar o uso de mais de um protocolo de redundância, como, por exemplo: HSR-HSR, HSR-PRP, RSTP-MRP, MRP-HIPER Ring, entre outras combinações.

Observação: os switches da Hirschmann contêm os protocolos RSTP e MRP nativos ao equipamento; os demais são dependentes de software (i.e., MSTP e Hiper-Ring) e/ou hardware (i.e., Fast-MRP, PRP e HSR); portanto, uma vez que há variantes dedicadas para alguns protocolos, é recomendado que haja uma consulta com a equipe técnica da Eco Automação para maiores detalhes.

Referências: