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Bahntechnik Netzwerk-Intelligenz für die Schiene

01.09.2016

Ethernet-Netzwerke in Bahnfahrzeugen zu realisieren ist keine triviale Aufgabe. Hierfür sind spezielle Ethernet Switches nötig, die alle Komplexitäts- und Hierarchiestufen von Netzwerken auf diesen Fahrzeugen abdecken können. Ideal ist es, wenn sie zudem noch robust, flexibel, kostengünstig und in mehreren Versionen verfügbar sind.

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Ethernet hat den flächendeckenden Einzug in die Welt der Schienenfahrzeuge vollzogen: Nach der Fahrgastinformations- und Infotainment-Ebene kommt es nun auch in der Leit- und Steuerungsebene zum Einsatz. Nach Definition des Train Communication Network (TCN) gemäß der Normen IEC61375-2-5 und IEC61375-3-4, ersetzt das so genannte Ethernet Train Backbone (ETB) den bald ausgedienten Zugbus WTB und das Ethernet Consist Network (ECN) die bekannten MVB- oder CAN-Feldbus-Netzwerke. Das Kommunikationsprotokoll zwischen Busteilnehmern wird mit dem Train Real Time Data Protocol (TRDP) umgesetzt. Dieses Netzwerkprotokoll ist IP-basiert und ermöglicht durch die neue Struktur die direkte Kommunikation aller Netzwerkteilnehmer untereinander. Diese Entwicklung hat einen grundlegenden Paradigmenwechsel zur Folge: Eine neue Netzwerktopologie ist erforderlich.

Es sind gemanagte Ethernet Switches für die Umsetzung nötig, die neben den aus der Industrieautomatisierung bekannten Merkmalen auch Anforderungen aus der Bahnindustrie erfüllen müssen.

Innerhalb eines Zugsegments werden Busteilnehmer (End Devices, ED) mittels gemanagter Ethernet Switches (Consist Switches, CS) an das ECN angebunden, welches die Kommunikation aller Teilnehmer wie Steuergeräte oder dezentrale I/O-Knoten untereinander sicherstellt.

Besonderheit der neuen Topologie

Die Topologie innerhalb eines ECN ist nicht durch eine Norm vorgegeben; typischerweise kommen Ring-Topologien zum Einsatz. Da ein Zug über mehrere Zugsegmente (ECNs) verfügen kann, werden diese über den fahrzeugübergreifenden ETB, ebenfalls mittels intelligenter Layer-3 Switches, angebunden. Mit Hilfe einer Netzwerkadressübersetzung (NAT) werden Netzwerkteilnehmer des Consists nach außen hin unsichtbar.

Um das zu erreichen, werden ankommende IP-Adressen maskiert und nach innen übersetzt. So kommen Daten aus dem Fahrzeug (ETB) mit der IP-Adresse 10.10.1.0 und 255.255.255.0 an; der NAT-Router übersetzt diese dann in eine lokale IP-Adresse (zum Beispiel 192.168.10.0/ 255.255.255.0), die beispielsweise einem Fahrzeugsteuergerät zugeordnet ist.

Sobald die verarbeiteten Daten in der Steuerung verfügbar sind, werden sie an den NAT-Router gesendet. Er übersetzt die Netzwerkadresse der Steuerung und sendet die Daten mit der IP-Adresse 10.10.1.0 an die Gegenstelle, etwa einen dezentralen I/O-Knoten. Durch die ständige Übersetzung der IP-Adressen werden ECN-Netzteilnehmer für Teilnehmer außerhalb des ECN unsichtbar. Folglich können außenstehende Drittparteien nicht auf die Steuerungsebene des Fahrzeugs zugreifen.

Die Eigenschaft der Adressübersetzung hat positive Nebeneffekte sowohl auf die Verfügbarkeit als auch auf die Konfiguration von IP-Adressen. Bei einem mehrteiligen Fahrzeug mit duplizierten ECNs müssten ohne eine 1:1-NAT Netzkonfigurationen manuell vorgenommen werden. Das kostet viel Zeit und Geld.

Wichtige Eigenschaften für Ethernet Switches

Werden alle Netzwerke zentral verwaltet, muss sichergestellt werden, dass IP-Adressen einmalig vergeben sind. Zur Konfiguration des Netzwerks sind Vernetzung und Bedienfreundlichkeit wesentliche Kriterien für eine kosteneffektive Installation. Daher sollte ein Ethernet Switch für Schienenfahrzeuge folgendes Anforderungsprofil erfüllen.

Bahntauglichkeit: Ein Ethernet Switch, der in einem Netzwerk eines Schienenfahrzeugs eingesetzt werden soll, muss alle Anforderungen aus der Norm EN50155 erfüllen und somit die Robustheit in einer rauen Umgebung unter Beweis stellen.

Zuverlässigkeit: Eine wesentliche Eigenschaft eines Ethernet Switches ist außerordentliche Zuverlässigkeit. Ungeplante Wartungsarbeiten und eine schlechte Verfügbarkeit können schnell teuer für den Zugbetreiber werden.

Verfügbarkeit: Wenn einzelne Netzwerksegmente wegfallen, zum Beispiel aufgrund von Defekten, ist es wichtig, über einen redundanten Weg das Netzwerk weiterhin betriebsbereit zu erhalten, etwa durch Ring-Redundanzen wie RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol).

Einfache Handhabung: Aufbau, Integration und Wartung von Ethernet-basierten Netzen müssen schnell, sicher und zuverlässig erfolgen. Während der Inbetriebsetzungs-Phase oder bei geplanten Wartungssätzen, ist es wichtig, dass die Konfiguration auch ohne den Einsatz von spezieller Software möglich ist. Im Idealfall soll sich eine Konfiguration von einem Gerät auf das andere klonen lassen.

Netzwerksicherheit: Eine Firewall kann das Netzwerk vor externer Beeinflussung abschotten und schützen, etwa bei unbeabsichtigt falscher Installation und dadurch entstandenen Verbindung zur Infotainment-Ebene oder durch kriminellen Hintergrund, zum Beispiel bei Cyber-Attacken. Eine Abschottung der Steuerungsebene eines Fahrzeugs ist unumgänglich.

Alle Eigenschaften in einem Gerät

Die Ethernet-Switch-Produktfamilie von Lütze heißt LEOS, was für Lütze Ethernet Onboard System steht. Die Geräte hat der Hersteller speziell für den Einsatz in Schienenfahrzeugen entwickelt; sie sind konform zur Norm EN50155. Alle Produkte verfügen über ein Weitbereichsnetzteil von DC 24 bis 110 V sowie den Schutzgrad IP54. Der Anwender hat die Auswahl eines skalierbaren Feature Sets. So gibt es einen Unmanaged, einen Lite Managed und einen Full Managed Ethernet-Switch.

Je nach Ausbaustufe werden verschiedene Funktionen bereitgestellt, wie beispielsweise QoS, VLAN, Link Aggregation oder Port Mirroring. Ein digitaler Eingang, der das Senden spezieller Telegramme triggern kann, sowie ein Relais-Kontakt, der abhängig von Betriebsstatus aktiviert, sind ebenfalls enthalten.

Die Konfiguration der Geräte kann der Anwender bequem per Webserver vornehmen. Per USB-Speicherstick ist es möglich, Konfigurationen zu exportieren und zu importieren. Das macht es einfach, Geräte zu klonen. Ergänzt wird das Produktprogramm durch den LEOS-Router, der neben der NAT-Funktion und einen DHCP-Server (inklusive der Option 82) auch für Ringtopologien eingesetzt werden kann.

Bildergalerie

  • Beispiel für eine Ethernet-Netzwerktopologie der Steuerungsebene auf Schienenfahrzeugen

    Bild: Lütze Transportation

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