Protocolos de comunicación STP, PRP, HSR

Protocolos de comunicación

STP, PRP, HSR

César Andrés Mejía Cholo

Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Escuela Politécnica Nacional

Quito, Ecuador

cesar.mejia@epn.edu.ec,

Abstract- Hoy en día, la tecnología de comunicación Ethernet es la columna vertebral de la automatización de subestaciones. La fiabilidad de la comunicación es crucial. Por tanto, la redundancia conocida de la protección principal A/B no es suficientemente buena en muchos casos, se debe proporcionar redundancia de la comunicación. Los sistemas de redundancia de medios Ethernet comunes tienen un tiempo de reconfiguración donde la red está ocupada por sí misma en términos de restablecimiento del sistema. El protocolo de redundancia en paralelo (PRP) y la redundancia sin interrupciones de alta disponibilidad (HSR) se han introducido para abordar la necesidad de comunicaciones industriales confiables y están estandarizados y especificados en IEC 62439-3. Si bien ambos abordan diferentes topologías de red, HSR y PRP se basan en el mismo principio de redundancia activa al duplicar el intercambio de información. Al proporcionar un protocolo de redundancia activo y, por lo tanto, una reconfiguración de retardo cero en caso de falla de un conmutador o enlace, HSR y PRP son especialmente interesantes para aplicaciones de protección basadas en comunicación digital como IEC 61850-9-2 e IEC 61850-8. -1 [1, p. 1].

En este documento, se presentan diferentes topologías y aplicaciones para la automatización de subestaciones utilizando los beneficios de PRP y HSR y cómo dichos protocolos pueden hacer cumplir el requisito de rendimiento especificado por IEC 61850-5.

Palabras claves: STP, HSR, PRP, IEC-61850, protocolos de comunicación, GOOSE (Objeto genérico orientado a eventos de subestaciones).

1. INTRODUCCIÓN

La redundancia es uno de los requisitos clave de los sistemas de energía, es particularmente importante para aplicaciones críticas de protección y automatización de subestaciones. Los sistemas redundantes eliminan puntos únicos de falla y mejoran la disponibilidad, seguridad y confiabilidad general del sistema. Dado que la comunicación Ethernet es cada vez más común en los esquemas de protección en subestaciones, los requisitos de redundancia ya no cubren solo los dispositivos de protección sino también los sistemas de comunicación dentro de la subestación. De hecho, para lograr una confiabilidad y disponibilidad del sistema, la red de comunicación debe evitar interrupción del tráfico cuando se perturba uno de sus elementos.

El Protocolo de redundancia en paralelo (PRP) y la redundancia sin interrupciones de alta disponibilidad (HSR) se han introducido para abordar la necesidad de comunicaciones industriales confiables y están estandarizados y especificados en IEC 62439-3. Si bien ambos abordan diferentes topologías de red, HSR y PRP se basan en el mismo principio de redundancia activa al duplicar el intercambio de información. Al proporcionar un protocolo de redundancia activo y, por lo tanto, una reconfiguración de retardo cero en caso de falla de un conmutador o enlace, HSR y PRP son especialmente interesantes para aplicaciones de protección basadas en comunicación digital como IEC 61850-9-2 e IEC 61850-8. -1 [2, p. 1].

1. PROTOCOLOS DE REDUNDANCIA

Los switches en la red se pueden utilizar para proporcionar redundancia de protocolo y mantener la salud de la red Ethernet. Los protocolos de redundancia de capa 2 hacen dos cosas: identificar todas las rutas posibles entre los dispositivos de red y colocar las rutas adicionales redundantes en un estado de bloqueo para eliminar los bucles de red.

Si estas rutas redundantes no se eliminan, se formarán bucles en una red Ethernet que causarán inundaciones debido a la duplicación y recirculación de datos. Esto ahogará una red en un corto período de tiempo. En caso de que el segmento de la red falle, el protocolo activa los puertos apropiados que están en un estado de bloqueo para restablecer la conectividad. El objetivo es solucionar el problema antes de que el proceso sepa que hay un problema.

Las redes Ethernet tienen protocolos de redundancia que son compatibles con los estándares Ethernet identificados. Estos son compatibles con capa 2 y capa 3 del modelo OSI.

Los mecanismos de redundancia de medio ethernet se especifican en IEC 62439, hoy en día, estos son:

Parte 1: Árbol de expansión rápida (también parte de IEEE 802.1D).

Parte 2: Protocolo de redundancia de medios MRP.

Parte 3: Redundancia perfecta PRP y HSR.

Parte 4: Protocolo de redundancia entre redes CRP.

Parte 5: Protocolo de redundancia de baliza BRP.

Parte 6: Protocolo de redundancia distribuida DRP.

Parte 7: Protocolo de redundancia basado en anillo PRP.

1. STP (SPANNING TREE PROTOCOL)

Es un protocolo de capa 2 que impiden la existencia de bucles físicos, creando una ruta alternativa para las tramas. A diferencia de capa 3 no utiliza el renglón de TTL (time to live), lo que puede provocar grandes problemas al presentarse un problema físico.

Propósito de STP: Cuando se habla de STP, la tormenta de broadcast es un término utilizado en las rutas redundantes de capa 2, que consiste en la propagación de tramas ethernet hasta que un enlace se interrumpe, esto se produce cuando existen 2 rutas en los switches en la misma LAN, producido por una tarjeta defectuosa o cuando un cable de red se conecta en 2 interfaces del mismo switch. De esta forma, una red sin las condiciones adecuadas no puede crear una ruta redundante. Se requiere de dispositivos que comprendan la existencia de un bucle de capa 2. Si estas condiciones no se cumplen se puede formar una emisión incontrolable de datos enviados por los mismos dispositivos, lo cual puede deshabilitar la red en poco tiempo.

El Spanning Three Protocol (STP) o protocolo de árbol de expansión, previene los bucles, permitiendo la redundancia sin afectar el normal comportamiento de la red. El estándar asociado a este protocolo es el IEEE 802.1D, el cual consiste en tomar datos de toda la red y hacer un cálculo para determinar la mejor ruta, dejando una ruta alternativa en caso de que la ruta principal se caiga por alguna razón.

Para crear una topología sin bucle, STP se basa en un algoritmo que busca a un único switch que creará una ruta, como la raíz de un árbol para evitar que los dos extremos se unan, a este dispositivo se la el nombre de puente raíz, el algoritmo tomara varios datos de los equipos para determinar la mejor ruta, entre ellos, las velocidades de puertos, las direcciones MAC de los switches, el ID de VLAN y un valor determinado como prioridad de puente, valor que puede ser modificado para que el administrador de red pueda manipular la ubicación del puente raíz.

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