HSR

Wat is HSR?

HSR (High-availability Seamless Redundancy) is een redundantieprotocol voor Ethernet-ringen, vastgelegd in IEC 62439-3, waarbij elk knooppunt ieder frame tegelijk in beide richtingen door de ring verstuurt, zodat een enkele kabel- of apparaatstoring geen enkel frame kost en de hersteltijd nul is. De ontvanger gebruikt het eerst binnenkomende exemplaar en gooit het duplicaat weg. HSR is daarmee het ringvormige broertje van PRP en wordt vooral toegepast in digitale onderstations volgens IEC 61850, waar beveiligingsrelais geen milliseconde aan communicatie mogen missen.

🧠 Hoe werkt HSR?

In een HSR-ring heeft elk apparaat twee netwerkpoorten, A en B. Zo’n apparaat heet een DANH (Doubly Attached Node with HSR). Het principe in vijf stappen:

1. Dupliceren — de zender maakt van elk frame twee kopieën en voegt een HSR-tag toe met hetzelfde volgnummer
2. Beide richtingen — kopie A gaat linksom, kopie B rechtsom de ring in
3. Doorgeven — elk tussenliggend knooppunt stuurt frames in hardware door, typisch binnen enkele microseconden per hop
4. Duplicaat weggooien — de ontvanger herkent de combinatie van bron-MAC-adres en volgnummer, geeft het eerste frame door aan de applicatie en verwijdert het tweede
5. Uit de ring halen — een unicastframe wordt door de bestemming niet verder gestuurd; een multicastframe gaat de hele ring rond en wordt door de oorspronkelijke zender verwijderd

Breekt de ring op één plek, dan komt simpelweg alleen nog de kopie via de andere kant aan. Er is geen detectie, geen omschakeling en geen herberekening van de topologie nodig: de hersteltijd is letterlijk nul.

De HSR-tag

De tag is 6 bytes groot. Daardoor worden frames iets langer dan het klassieke Ethernet-maximum, wat alleen binnen de ring speelt.

🔧 Wat doen een RedBox en een QuadBox?

Niet elk apparaat spreekt HSR. Een laptop, camera of ouder relais heeft maar één netwerkpoort. Die Singly Attached Nodes (SAN’s) sluit u aan via een RedBox (Redundancy Box). De RedBox voegt namens het apparaat de HSR-tag toe en verwijdert duplicaten, zodat het voor de ring lijkt op een volwaardig HSR-knooppunt.

Een RedBox kent verschillende modi:

• HSR-SAN — koppelt gewone apparaten of een gewoon LAN aan de ring
• HSR-PRP — koppelt een HSR-ring aan de twee netten (LAN A en LAN B) van een PRP-netwerk
• HSR-HSR — koppelt twee HSR-ringen; zo’n apparaat heet een QuadBox

Een QuadBox heeft vier ringpoorten, twee per ring. Om geen nieuw single point of failure te maken, koppelt u twee ringen altijd met twee QuadBoxen. Zo ontstaan hiërarchische structuren, bijvoorbeeld een stationsring met daaronder ringen per veld of spanningsniveau.

🕰️ Hoe is HSR gestandaardiseerd?

HSR heette oorspronkelijk HASAR, naar de beginletters van de vijf leveranciers aan energiebedrijven die het protocol ontwikkelden: Hirschmann, ABB, Siemens, Alstom en RuggedCom. De standaard IEC 62439-3 beschrijft PRP en HSR samen, terwijl MRP in deel 2 van dezelfde reeks staat.

🔄 Wat is het verschil tussen HSR, PRP, MRP, RSTP en DLR?

Alle vijf bieden redundantie in Ethernet-netwerken, maar met een fundamenteel ander mechanisme. HSR en PRP sturen alles dubbel en schakelen dus nooit om; MRP, RSTP en DLR blokkeren een poort en openen die pas bij een storing.

Kort gezegd: PRP is flexibeler en schaalbaarder, maar vraagt twee complete netwerken. HSR bespaart switches en bekabeling, maar elke ring heeft een beperkte capaciteit. Een uitgebreider overzicht van ringprotocollen vindt u bij Ring Redundancy.

🏭 Waar wordt HSR gebruikt?

• Digitale onderstations — IED’s zoals beveiligingsrelais en merging units wisselen GOOSE-berichten en Sampled Values uit. IEC 61850 noemt PRP en HSR als de redundantieprotocollen voor stations- en procesbus.
• Netbeheer en energie — hoog- en middenspanningsstations, omvormerstations en windparken
• Gesynchroniseerde aandrijvingen — bijvoorbeeld in drukmachines, waar meerdere assen in motion control exact gelijk moeten blijven lopen
• Vermogenselektronica — besturing van grote omvormers waar communicatieverlies direct tot een trip leidt

📏 Hoeveel apparaten passen in een HSR-ring?

Omdat elk frame twee keer door de ring gaat, is voor multicastverkeer maar ongeveer de helft van de bandbreedte beschikbaar: een full-duplex ring op 100 Mbit/s levert 100 Mbit/s, niet 200. Bovendien stapelt de doorgeefvertraging per hop zich op; met cut-through-forwarding in hardware is dat zo’n 5 microseconden per knooppunt op 100 Mbit/s. Leveranciers begrenzen de ringgrootte daarom; Cisco ondersteunt bijvoorbeeld maximaal 50 knooppunten per ring.

Een rekenvoorbeeld voor een 50 Hz-net: één Sampled Values-stroom volgens IEC 61850-9-2LE stuurt 80 samples per periode, dus 4.000 frames per seconde, goed voor ruim 5 Mbit/s. Tien merging units vragen dan al zo’n 53 Mbit/s, en omdat dat multicastverkeer de hele ring rondgaat, belast het elke link. In de praktijk:

1. Kies 1 Gbit/s voor ringen met procesbusverkeer; 100 Mbit/s volstaat voor stationsbussen met alleen GOOSE en MMS
2. Beperk ringen met Sampled Values tot een klein aantal apparaten en verdeel de rest over meerdere ringen
3. Koppel ringen via QuadBoxen of via een PRP-backbone in plaats van één grote ring te bouwen
4. Filter multicast met VLAN’s of multicastfiltering op RedBoxen, zodat verkeer niet onnodig doorgegeven wordt
5. Reken de vertraging door: aantal hops maal de vertraging per knooppunt, plus de wachttijd achter grote frames

⏱️ Hoe werkt tijdsynchronisatie over HSR?

Beveiligingsfuncties zoals differentiaalbeveiliging vergelijken metingen van verschillende merging units en vragen daarom een nauwkeurigheid van ongeveer 1 microseconde. Dat realiseert u met het Precision Time Protocol (IEEE 1588 / IEC 61588). IEC 62439-3 bevat in bijlage C het PTP Industry Profile, en voor energietoepassingen is er het profiel IEC/IEEE 61850-9-3:2016 (Power Utility Profile). Beide beschrijven hoe PTP-berichten over PRP en HSR lopen; met het profiel uit bijlage C is een nauwkeurigheid van 1 microseconde haalbaar in een ring van 16 HSR-knooppunten. Omdat elk knooppunt de klokberichten doorgeeft, werken HSR-knooppunten als transparent clock die de verblijftijd per hop corrigeert; een RedBox kan daarnaast als boundary clock optreden.

🔐 Welke beveiligingsrisico’s heeft HSR?

HSR verhoogt de beschikbaarheid, niet de beveiliging. De HSR-tag kent geen authenticatie of versleuteling. Een aanvaller met toegang tot de ring kan frames met een vervalst bron-MAC-adres en volgnummer injecteren, waardoor knooppunten het echte frame als duplicaat weggooien. Ook een overvloed aan multicastverkeer raakt de hele ring, omdat elk knooppunt doorgeeft.

Maatregelen:

• Fysieke beveiliging — de ring loopt door elk apparaat, dus elke vrije poort en elke RedBox is een toegangspunt
• Netwerksegmentatie — houd de HSR-ring een gesloten zone volgens IEC 62443 en koppel naar buiten alleen via een firewall
• Poortbeveiliging op RedBoxen — sta alleen bekende apparaten toe aan de SAN-zijde
• Netwerkmonitoring — let op dat port mirroring (SPAN) op HSR-poorten bij een deel van de apparatuur niet ondersteund wordt; monitor via een RedBox of netwerktap en voer meldingen naar een OT SOC
• Beveiliging op applicatieniveau — gebruik IEC 62351 voor authenticatie van GOOSE en Sampled Values waar de apparatuur dat ondersteunt

❓ Veelgestelde vragen

Wat betekent HSR in netwerken?

HSR staat voor High-availability Seamless Redundancy, een Ethernet-redundantieprotocol uit IEC 62439-3. HSR stuurt elk frame in beide richtingen door een ring, zodat de verbinding bij één storing zonder onderbreking blijft werken. HSR wordt vooral gebruikt in onderstations en andere kritieke OT-netwerken.

Heeft HSR switches nodig?

Nee, HSR heeft in principe geen afzonderlijke switches nodig, omdat elk HSR-apparaat zelf frames doorgeeft aan de volgende in de ring. Alleen apparaten zonder HSR-ondersteuning hebben een RedBox nodig. Wel moet elk knooppunt in de ring HSR in hardware ondersteunen om de vertraging laag te houden.

Wat is beter: HSR of PRP?

Dat hangt af van de omvang en het verkeer. HSR is goedkoper omdat er geen tweede netwerk nodig is, maar de ring draagt dubbel verkeer en blijft in de praktijk beperkt tot hooguit enkele tientallen knooppunten. PRP schaalt beter met veel verkeer en apparaten, maar vraagt twee volledig gescheiden netwerken; vaak worden HSR en PRP via RedBoxen gecombineerd.

Wat gebeurt er bij twee storingen in een HSR-ring?

Bij twee storingen tegelijk raakt een HSR-ring in twee delen gesplitst, waardoor apparaten aan weerszijden elkaar niet meer bereiken. HSR beschermt alleen tegen één enkele storing. De eerste storing moet daarom snel gedetecteerd en hersteld worden, wat HSR-apparaten via supervisieframes en diagnose mogelijk maken.

Kan HSR samen met PTP worden gebruikt?

Ja, HSR is ontworpen om samen te werken met het Precision Time Protocol. IEC 62439-3 en het energieprofiel IEC/IEEE 61850-9-3 beschrijven hoe PTP-berichten over een HSR-ring lopen en hoe knooppunten de looptijd corrigeren. Zo haalt een HSR-netwerk de nauwkeurigheid van circa 1 microseconde die procesbustoepassingen vragen.

Is HSR geschikt voor gewone industriële automatisering?

HSR kan in elke Ethernet-omgeving worden ingezet, maar wordt buiten de energiesector minder vaak toegepast. In machinebouw en fabrieksautomatisering zijn MRP en DLR gangbaarder, omdat een hersteltijd van enkele milliseconden daar meestal volstaat. HSR is vooral zinvol waar zelfs één verloren frame een storing of trip veroorzaakt.

📌 Samengevat

HSR stuurt elk frame in beide richtingen door een ring en levert daarmee nul hersteltijd en geen frameverlies bij één storing, zonder extra switches. De prijs is dubbel verkeer op de ring en een beperkt aantal knooppunten; combineer HSR daarom met PRP, PTP en goede segmentatie voor betrouwbare en veilige onderstationsnetwerken.