PRP – Parallel Redundancy Protocol¶
Übersicht¶
PRP (Parallel Redundancy Protocol) ist ein industrielles Netzwerkredundanzprotokoll, standardisiert in IEC 62439-3 (gemeinsam mit HSR). Es ermöglicht eine unterbrechungsfreie Kommunikation (Zero Recovery Time) bei einem Netzwerkausfall, indem Frames gleichzeitig über zwei vollständig unabhängige, parallele Netzwerke gesendet werden. Im Gegensatz zu HSR ist PRP topologieunabhängig – die beiden Netze können beliebig aufgebaut sein.
Funktionsweise¶
PRP basiert auf dem Prinzip der Doppelübertragung über zwei disjunkte Netze:
- Sendender Knoten (DANP): Jedes PRP-Gerät (DANP – Doubly Attached Node implementing PRP) sendet jeden Frame gleichzeitig und identisch über zwei separate Netzwerkanschlüsse – einen in Netz A (LAN A), einen in Netz B (LAN B).
- Parallele Übertragung: Beide Frames laufen unabhängig voneinander durch zwei vollständig getrennte Netzwerke (eigene Switches, eigene Verkabelung).
- Empfangender Knoten: Der Zielknoten akzeptiert den zuerst eintreffenden Frame und verwirft das Duplikat anhand der Sequenznummer und Quell-MAC-Adresse (gespeichert in der Duplicate Discard Table, DDT).
- Fehlerfall: Fällt ein komplettes Netz aus, kommen die Frames weiterhin über das andere Netz an – ohne jegliche Unterbrechung.
┌──────── LAN A (Netz A) ────────┐
│ Switch A1 ── Switch A2 ... │
DANP X ──┤ ├── DANP Y
│ Switch B1 ── Switch B2 ... │
└──────── LAN B (Netz B) ────────┘
Jeder Frame wird doppelt gesendet – einmal pro Netz.
Zero Recovery Time¶
Da beide Frames parallel und kontinuierlich unterwegs sind, gibt es bei einem Netzausfall keinerlei Umschaltvorgang und damit 0 ms Wiederherstellungszeit. Dies teilt PRP mit HSR, unterscheidet beide aber grundlegend von MRP oder RSTP.
Aufbau¶
Zwei unabhängige Netze (LAN A / LAN B)¶
PRP erfordert zwei vollständig separate Netzwerkinfrastrukturen: - Eigene Switches, eigene Kabel, idealerweise eigene Stromversorgung - Beliebige Topologie innerhalb jedes Netzes (Stern, Ring, Baum etc.) - Beide Netze müssen dieselben Endknoten verbinden
Die physikalische Trennung ist der grösste Stärken- und Kostenfaktor von PRP: Ein einzelner Fehler (Kabelbruch, Switch-Ausfall) betrifft immer nur ein Netz.
Knotentypen¶
| Typ | Bezeichnung | Beschreibung |
|---|---|---|
| DANP | Doubly Attached Node implementing PRP | Vollwertiger PRP-Knoten mit je einem Port in LAN A und LAN B |
| SAN | Singly Attached Node | Normales Ethernet-Gerät ohne PRP-Unterstützung |
| RedBox | Redundancy Box | Gateway: verbindet SANs mit dem PRP-Netz; dupliziert Frames stellvertretend |
RedBox – Einbindung nicht-PRP-fähiger Geräte¶
SANs (z. B. ältere Geräte, Standard-Switches) können über eine RedBox am PRP-Netz teilnehmen:
Die RedBox übernimmt die Frame-Duplizierung und Duplikaterkennung stellvertretend für den SAN.
PRP-Frame-Aufbau (RCT – Redundancy Control Trailer)¶
PRP fügt am Ende des Ethernet-Frames einen 6-Byte-Trailer (RCT) an – im Gegensatz zu HSR, das einen Header-Tag verwendet:
┌──────────────┬──────────┬─────────────────────────────────┬──────────────────────┐
│ Ziel-MAC (6B)│ Src-MAC │ Nutzdaten │ RCT (6 Byte) │ FCS │
│ │ (6B) │ │ SeqNr│Größe│LanId│ │
└──────────────┴──────────┴─────────────────────────────────┴──────────────────────┘
- SeqNr: Sequenznummer zur Duplikaterkennung
- Größe: Länge der Nutzdaten
- LanId: Kennzeichnet das Netz (A oder B), über das der Frame übertragen wurde
Der RCT ist am Ende des Frames angehängt und für Standard-Ethernet-Geräte unsichtbar bzw. wird als Padding interpretiert – PRP ist dadurch rückwärtskompatibel.
OSI-Schichtenmodell¶
PRP operiert wie HSR und MRP auf den unteren OSI-Schichten:
| OSI-Schicht | Nr. | Relevanz für PRP |
|---|---|---|
| Anwendung | 7 | Nicht direkt betroffen; PRP 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 PRP – Frame-Duplizierung, RCT-Anhang, Duplicate Discard Table (DDT), Sequenznummernverwaltung |
| Bitübertragung | 1 | Standard-Ethernet-PHY auf beiden Ports (100BASE-TX / 1000BASE-T / Fiber) |
Schicht-2-Details¶
- PRP arbeitet vollständig auf Layer 2 und ist für alle höheren Protokollschichten transparent.
- Die Duplicate Discard Table (DDT) auf Layer 2 speichert pro Quell-MAC-Adresse die zuletzt gesehenen Sequenznummern, um Duplikate effizient zu erkennen und zu verwerfen.
- Kein eigener EtherType notwendig – der RCT wird innerhalb der normalen Ethernet-Frame-Struktur platziert.
Anwendungsgebiete¶
PRP ist überall dort erste Wahl, wo höchste Verfügbarkeit und Topologiefreiheit gefragt sind:
Energieversorgung & Smart Grid¶
- Schutz- und Leittechnik nach IEC 61850
- GOOSE-Messaging und Sampled Values in Umspannwerken
- Leitwarten und SCADA-Systeme
Kritische Infrastruktur¶
- Kernkraftwerke und andere sicherheitskritische Anlagen
- Flughafenleitsysteme
- Bahnsicherungstechnik
Prozessautomatisierung¶
- Chemische und petrochemische Industrie
- Öl- und Gas-Förderanlagen (Offshore/Onshore)
Telekommunikation & Rundfunk¶
- Broadcast-Netzwerke mit Nulltoleranz für Paketverlust
- Synchronisationsnetze (PTP/IEEE 1588 über redundante Infrastruktur)
Konfiguration und Betrieb¶
Anforderungen¶
- Jeder DANP benötigt zwei Netzwerkanschlüsse (physikalisch und logisch getrennt)
- Beide Netze müssen dieselben DANPs verbinden (symmetrische Infrastruktur)
- Switches in LAN A und LAN B benötigen keine PRP-Kenntnisse – Standard-Switches genügen
Duplicate Discard Table (DDT)¶
- Jeder DANP pflegt eine Tabelle mit Quell-MAC + Sequenznummer
- Einträge werden nach einem Timeout (typisch wenige Hundert ms) gelöscht
- Grösse der DDT ist von der Anzahl der Netzwerkteilnehmer abhängig
Vergleich mit verwandten Protokollen¶
| Merkmal | PRP | HSR | MRP |
|---|---|---|---|
| Wiederherstellungszeit | 0 ms | 0 ms | < 200 ms / < 30 ms |
| Topologie | Beliebig (2 parallele Netze) | Ring | Ring |
| Frame-Duplizierung | Ja (Trailer) | Ja (Header-Tag) | Nein |
| Bandbreitenverbrauch | 2× | 2× | 1× |
| Infrastrukturaufwand | Sehr hoch (doppelte Infrastruktur) | Mittel (Ring) | Mittel (Ring) |
| Standard-Switches nutzbar | Ja | Nein (HSR-fähige Geräte nötig) | Nein (Managed Switches nötig) |
| Standard | IEC 62439-3 | IEC 62439-3 | IEC 62439-2 |
| Hauptanwendung | IEC 61850 / Energie | IEC 61850 / Energie | PROFINET / Fertigung |
PRP vs. HSR – Geschwisterprotokolle im Vergleich¶
PRP und HSR sind im selben Standard (IEC 62439-3) definiert und teilen das Grundprinzip der Frame-Duplizierung. Die Wahl hängt vom Anwendungsfall ab:
| Kriterium | PRP bevorzugt | HSR bevorzugt |
|---|---|---|
| Topologiefreiheit benötigt | ✅ | ❌ |
| Bestehende Infrastruktur wiederverwendbar | ✅ | ❌ |
| Geringer Platzbedarf / Kabelaufwand | ❌ | ✅ |
| Alle Geräte PRP/HSR-nativ | Nicht nötig (RedBox) | Erforderlich |
| Kosten der Netzwerkinfrastruktur | Hoch | Mittel |
Vor- und Nachteile¶
✅ Vorteile¶
- Zero Recovery Time – keine Unterbrechung bei Netzwerkausfall
- Topologieunabhängig – LAN A und LAN B können beliebig strukturiert sein
- Standard-Ethernet-Switches ausreichend – keine spezielle Hardware für die Netze selbst
- Rückwärtskompatibel durch RCT-Trailer-Ansatz
- Einbindung älterer Geräte via RedBox möglich
⚠️ Nachteile¶
- Doppelte Infrastruktur – hoher Hardware-, Kabel- und Kostenaufwand
- Doppelter Netzwerkverkehr – erhöhte Last auf allen Switches
- DANP-Endgeräte müssen PRP-fähig sein (oder via RedBox eingebunden werden)
- Kein Schutz bei gleichzeitigem Ausfall beider Netze
- Verwaltung zweier paralleler Netzwerke erhöht den Betriebsaufwand
Normative Grundlage¶
| Standard | Inhalt |
|---|---|
| IEC 62439-3 | Definition von PRP und HSR |
| IEC 61850 | Kommunikation in Energieautomatisierung (häufigster Anwendungsrahmen) |
| IEEE 802.3 | Ethernet-Grundlage (physikalische Schicht) |
| IEEE 1588 | Precision Time Protocol (PTP), häufig kombiniert mit PRP |
Zuletzt aktualisiert: Mai 2026