3.5. Protocolos de Redundancia Cero: PRP y HSR

UF1794 | Alta Disponibilidad Extrema en Redes de Misión Crítica

graph TD subgraph PRP ["PRP (Parallel Redundancy Protocol)"] DANP1["DANP
(Emisor)"] -->|Copia A| LAA["LAN A
(Red Física 1)"] DANP1 -->|Copia B| LAB["LAN B
(Red Física 2)"] LAA -->|Llega 1 Aceptada| DANP2["DANP
(Receptor)"] LAB -. Llega 2 Descartada .-> DANP2 end subgraph HSR ["HSR (High-availability Seamless Redundancy)"] DANH1["DANH 1
(Emisor)"] -->|Copia Horaria| DANH2["DANH 2"] DANH1 -->|Copia Anti-Horaria| DANH3["DANH 3"] DANH3 -->|Reenvía| DANH2["DANH 2
(Receptor)"] end style DANP1 fill:#2c3e50,color:#fff style DANP2 fill:#2c3e50,color:#fff style LAA fill:#27ae60,color:#fff style LAB fill:#e67e22,color:#fff style DANH1 fill:#8e44ad,color:#fff style DANH2 fill:#8e44ad,color:#fff style DANH3 fill:#8e44ad,color:#fff

1. Más allá de los milisegundos: El límite de MRP

En la lección anterior vimos cómo el protocolo MRP salvaba la red en menos de 200 milisegundos abriendo un puerto bloqueado. En el 95% de las fábricas, esto es suficiente. Sin embargo, en el diseño de redes avanzadas (UF1794), existen infraestructuras de misión crítica donde la pérdida de un solo paquete de datos puede provocar un desastre. Ejemplos de esto son las subestaciones eléctricas (gobernadas por la norma IEC 61850), los sistemas de señalización ferroviaria y los controles de procesos químicos reactivos. Para estos sistemas, un tiempo de recuperación de 200 ms, o incluso de 10 ms, es inaceptable.

La solución es eliminar por completo el concepto de "tiempo de recuperación". Para lograr una redundancia de 0 ms (Zero Recovery Time) (también llamada redundancia "sin fisuras" o Seamless), la norma IEC 62439-3 define dos protocolos revolucionarios: PRP y HSR. Su filosofía es brutalmente simple: no hay rutas de respaldo "dormidas", todo se envía duplicado por caminos distintos al mismo tiempo.



2. PRP: Protocolo de Redundancia Paralela

El Parallel Redundancy Protocol (PRP) utiliza dos redes físicas completamente separadas e independientes, a menudo llamadas LAN A y LAN B. Los switches de la LAN A no están conectados a los de la LAN B bajo ningún concepto.

Para que esto funcione, el dispositivo final (como un PLC) debe ser un nodo especial llamado DAN (Dual Attached Node). Un DAN tiene dos tarjetas de red internas. Cuando el PLC quiere enviar un paquete, el DAN clona internamente el paquete. A ambos paquetes les añade un Número de Secuencia (Sequence Number) idéntico. Luego, envía una copia por la LAN A y la otra copia por la LAN B simultáneamente.

En el extremo receptor, el equipo recibe el paquete que haya viajado más rápido (por ejemplo, el de la LAN A) y lo procesa. Microsegundos después llega la copia por la LAN B. Al leer el número de secuencia, el receptor dice: "Ya he procesado el paquete #45", y simplemente destruye la segunda copia en el hardware (Discard). Si un excavadora arranca por completo la LAN A, el receptor simplemente procesará la copia de la LAN B. No hay reconvergencia, no hay tiempo de espera, la comunicación no se interrumpe ni un solo milisegundo.



3. HSR: Redundancia Sin Fisuras de Alta Disponibilidad

El High-availability Seamless Redundancy (HSR) utiliza la misma filosofía de duplicación activa que PRP, pero aplicada a una topología de anillo. La gran ventaja de HSR es que no requiere switches centrales, reduciendo enormemente el coste de hardware.

En HSR, los propios dispositivos (nodos DANH) forman el anillo conectándose en cadena. Cuando el nodo A quiere enviar un dato al nodo C, no sabe si el cable está roto. Así que inyecta una copia del paquete en dirección horaria y otra copia en dirección anti-horaria. Ambos paquetes viajan saltando de nodo en nodo por todo el anillo. El nodo C recibe la primera copia y la procesa. Al recibir la segunda por el otro lado del anillo, la descarta. Si el anillo se corta en cualquier punto, una de las dos copias siempre tiene el camino libre garantizado para llegar al destino en 0 ms.



4. RedBox: Integrando el Mundo Estándar

Tanto PRP como HSR son fantásticos, pero requieren que los equipos finales (sensores, HMI, servidores) sean nodos especiales con dos puertos y hardware dedicado (DAN o DANH). ¿Qué ocurre si compramos una impresora industrial o un sensor láser estándar que solo tiene un puerto RJ45 normal (conocido como SAN - Single Attached Node)?

Para no dejar fuera a los dispositivos estándar, la norma creó la RedBox (Redundancy Box). Una RedBox es un pequeño switch inteligente que actúa como traductor. Tiene un puerto estándar para conectar el dispositivo normal, y dos puertos para conectarse a las redes PRP/HSR. Cuando el sensor estándar envía un paquete normal, la RedBox lo intercepta, lo clona, le inyecta el número de secuencia y lo lanza a las redes redundantes. Para el sensor, la magia del "Zero Recovery Time" es totalmente transparente.

PRP: PARALLEL REDUNDANCY PROTOCOL (0 ms Recovery) LAN A (Switches y Routers) LAN B (Totalmente Independiente) DAN Emisor (PLC) DAN Receptor (Servidor) CABLE ROTO SEQ: 042 SEQ: 042 SEQ: 042 1. Clona el paquete y añade Seq Nº 042 a ambos. 2. Recibe B intacta (0 ms). A nunca llega. No hay caída. Si LAN A no estuviera rota, la copia A llegaría primero. El receptor procesaría A, y descartaría B automáticamente.
Figura 1: Dinámica del Parallel Redundancy Protocol (PRP). A diferencia del STP o el MRP que bloquean caminos para evitar tormentas, PRP abraza la redundancia activa. El nodo emisor inyecta dos copias exactas en dos redes físicas separadas. Aunque la LAN A sufra un corte destructivo, la copia de la LAN B llega a su destino sin perder un solo milisegundo de tiempo en reconfiguraciones de red.
Fuente: Elaboración Propia. Licencia: CC BY-SA 4.0.

🎥 Formación Técnica: Entendiendo PRP y HSR (IEC 62439-3)

Aprende cómo operan los protocolos de "Redundancia Sin Fisuras", la función crítica del número de secuencia y cómo las RedBoxes permiten integrar un equipo estándar en la red más segura del mundo.

▶ Ver Explicación de Redundancia Cero

📝 Evaluación Técnica: Redes de Misión Crítica

1. El protocolo PRP (Parallel Redundancy Protocol) garantiza un tiempo de recuperación de red de cero milisegundos (0 ms). ¿Cuál es la estrategia mecánica y de hardware que lo hace posible?

2. En un entorno HSR o PRP, si la red está funcionando perfectamente, el nodo receptor recibirá dos copias exactas del mismo paquete de datos. ¿Cómo sabe el nodo receptor qué debe hacer con esta segunda trama y por qué no se genera una tormenta de datos?

3. Se debe instalar un pequeño sensor láser estándar (con un solo puerto RJ45 normal) en un sistema ferroviario que opera bajo el anillo de alta seguridad HSR. ¿Qué dispositivo de hardware adicional se necesita obligatoriamente para integrar este sensor en el anillo de redundancia cero?

🤖 Ejercicio Práctico 4: Simulador del Filtro de Duplicados en Python

Objetivo: Demostrar la lógica interna del hardware de un nodo receptor DAN al enfrentarse a la llegada masiva de paquetes duplicados (Redundancia activa).

Copia el siguiente *prompt* y pégalo en un modelo de IA (como ChatGPT, Gemini o Claude).

Actúa como programador de firmware de tarjetas de red industriales. Escribe un script en Python que simule el algoritmo 'Discard' (descarte) de un nodo receptor en el protocolo PRP. El script debe: 1. Crear un buffer (una lista vacía) llamado 'paquetes_procesados' que almacene temporalmente los Números de Secuencia. 2. Simular un flujo entrante de 6 paquetes, donde cada paquete es un diccionario con un campo 'seq_num' y un 'payload'. Haz que lleguen paquetes con números de secuencia duplicados (ej. seq 1, seq 2, seq 1, seq 3, seq 2). 3. El bucle for debe evaluar cada paquete. Si el 'seq_num' ya está en el buffer, imprime 'DROP: Paquete duplicado [seq_num] descartado (Cero ms de delay alcanzado)'. 4. Si no está en el buffer, agrégalo a la lista e imprime 'ACCEPT: Procesando paquete nuevo [seq_num]'. Comenta por qué este control por hardware debe ser extremadamente eficiente en memoria para no penalizar el rendimiento del PLC.