HSR – High-availability Seamless Redundancy¶
Übersicht¶
HSR (High-availability Seamless Redundancy) ist ein industrielles Netzwerkredundanzprotokoll, das gemäss IEC 62439-3 standardisiert ist. Es ermöglicht eine unterbrechungsfreie Kommunikation (Zero Recovery Time) in Netzwerken, die höchste Verfügbarkeit erfordern – etwa in der Energieversorgung, Prozessautomatisierung und kritischen Infrastruktur.
Funktionsweise¶
HSR basiert auf dem Prinzip der Frame-Duplizierung:
- Sendender Knoten: Jedes HSR-Gerät (DANH – Doubly Attached Node implementing HSR) sendet jeden Frame gleichzeitig über zwei unabhängige Ports (Port A und Port B) in entgegengesetzte Richtungen in den Ring.
- Weiterleitung: Jeder Knoten im Ring leitet empfangene Frames an den nächsten weiter, prüft dabei anhand der Sequenznummer und Quell-MAC-Adresse, ob er den Frame bereits gesehen hat.
- Empfangender Knoten: Der Zielknoten akzeptiert den zuerst eintreffenden Frame und verwirft das Duplikat.
- Fehlerfall: Bricht ein Segment des Rings, kommt der Rahmen trotzdem über den anderen Weg an – ohne jegliche Umschaltverzögerung.
Zero Recovery Time¶
Da beide Frames parallel unterwegs sind, gibt es keine Failover-Zeit (0 ms Wiederherstellungszeit). Dies unterscheidet HSR grundlegend von klassischen Redundanzprotokollen wie STP (Spanning Tree Protocol).
Aufbau¶
Ringtopologie¶
HSR erfordert zwingend eine ringförmige Topologie. Alle Geräte sind in einem geschlossenen Ring miteinander verbunden.
Knotentypen¶
| Typ | Bezeichnung | Beschreibung |
|---|---|---|
| DANH | Doubly Attached Node implementing HSR | Vollwertiger HSR-Knoten mit 2 HSR-Ports |
| RedBox | Redundancy Box | Gateway zwischen HSR-Ring und Standard-Ethernet-Geräten |
| QuadBox | Quadruple Box | Kopplung zweier HSR-Ringe |
HSR-Frame-Aufbau¶
Ein HSR-Frame ist ein erweiterter Ethernet-Frame mit einem zusätzlichen HSR-Tag (6 Byte):
┌────────────────┬───────────┬──────────────────┬──────────────┬─────────┐
│ Ziel-MAC (6B) │ Src-MAC │ HSR-Tag (6 B) │ Nutzdaten │ FCS │
│ │ (6B) │ LanId│Größe│SeqNr │ │ (4B) │
└────────────────┴───────────┴──────────────────┴──────────────┴─────────┘
- LanId: Kennzeichnet den Pfad (A oder B)
- Größe: Länge der Nutzdaten
- SeqNr: Sequenznummer zur Duplikaterkennung
OSI-Schichtenmodell¶
HSR ist primär auf den unteren OSI-Schichten angesiedelt:
| OSI-Schicht | Nr. | Relevanz für HSR |
|---|---|---|
| Anwendung | 7 | Nicht direkt betroffen; HSR ist transparent für Applikationen |
| Darstellung | 6 | Nicht direkt betroffen |
| Sitzung | 5 | Nicht direkt betroffen |
| Transport | 4 | Nicht direkt betroffen (TCP/UDP laufen transparent darüber) |
| Netzwerk | 3 | Nicht direkt betroffen (IP-Routing unverändert) |
| Sicherung | 2 | Kernschicht von HSR – Frame-Duplizierung, HSR-Tag, Duplikaterkennung, MAC-basierte Weiterleitung |
| Bitübertragung | 1 | Physikalische Ringverbindung, Standard-Ethernet-PHY (100BASE-TX / 1000BASE-T) |
Schicht-2-Details¶
HSR arbeitet vollständig auf Layer 2 (Data Link Layer):
- Ergänzung des Ethernet-Frames um den HSR-Tag (EtherType 0x892F)
- Keine Änderungen an IP-Adressen oder höheren Protokollen notwendig
- Transparenter Betrieb für alle Layer-3-Protokolle (IEC 61850, GOOSE, PTP, etc.)
Anwendungsgebiete¶
HSR wird überall dort eingesetzt, wo Ausfallzeiten inakzeptabel sind:
Energieversorgung & Smart Grid¶
- Schutzrelais und Leittechnik nach IEC 61850
- GOOSE-Messaging (Generic Object Oriented Substation Event)
- Kommunikation in Umspannwerken
Prozess- & Fertigungsautomatisierung¶
- Hochverfügbare Steuerungsnetze (SPS/PLC-Kommunikation)
- Produktionsanlagen mit Null-Toleranz für Netzwerkausfall
Kritische Infrastruktur¶
- Bahntechnik und Signalisierungssysteme
- Wasserversorgung und Abwasserentsorgung
- Nuklearanlagen
Vergleich mit verwandten Protokollen¶
| Merkmal | HSR | PRP | RSTP |
|---|---|---|---|
| Wiederherstellungszeit | 0 ms | 0 ms | ~1–30 s |
| Topologie | Ring | Parallele Netze | Beliebig |
| Frame-Duplizierung | Ja | Ja | Nein |
| Standard | IEC 62439-3 | IEC 62439-3 | IEEE 802.1D |
| Bandbreitenverbrauch | 2× (doppelter Traffic) | 2× | 1× |
PRP (Parallel Redundancy Protocol) ist der „Schwester-Standard" von HSR: Statt eines Rings werden zwei vollständig separate Netzwerke parallel betrieben.
Vor- und Nachteile¶
✅ Vorteile¶
- Null Ausfallzeit bei Einzelstörung (Single Point of Failure)
- Transparent für höhere Protokollschichten
- Kein aktives Management / Umschalten notwendig
- Standardisiert (IEC 62439-3), herstellerübergreifend
⚠️ Nachteile¶
- Ausschliesslich Ringtopologie möglich
- Doppelter Netzwerkverkehr belastet die Bandbreite
- Alle Geräte müssen HSR-fähig sein (oder über RedBox eingebunden werden)
- Kein Schutz bei gleichzeitigem Ausfall mehrerer Segmente
Normative Grundlage¶
| Standard | Inhalt |
|---|---|
| IEC 62439-3 | Definition von HSR und PRP |
| IEC 61850 | Kommunikation in Energieautomatisierung (häufigster Anwendungsrahmen) |
| IEEE 802.3 | Ethernet-Grundlage (physikalische Schicht) |
Zuletzt aktualisiert: Mai 2026