Ethernet in rauen Umgebungen

Netzwerk-Topologie, Redundanz und RSTP

Das Design von Ethernet Netzwerken lässt sich auf den unterschiedlichsten Netztopologien realisieren. Häufig werden die Netze sternförmig aufgebaut. Das Design von Stern-Netzwerken enthält jedoch einen »Single Point of Failure«. Bereits der Ausfall eines Switches oder der Defekt eines Links kann viele Geräte vom Kommunikationsnetz abkoppeln. Um eine zufriedenstellende Netzwerk-Redundanz zu erreichen, wird mehr als ein verfügbarer Übertragungspfad zwischen einer Quelle und dem Ziel benötigt. Dies impliziert jedoch mehrere physikalische Schleifen im Netzwerk. Eine physikalische Schleife im Netzwerk führt allerdings dazu, dass die Datenpakete in einer endlosen Schleife im Netzwerk zirkulieren. Diese Pakete fressen dabei die komplette verfügbare Bandbreite auf und führen letztlich zu einer Art »Broadcast Storm«.

Der Rapid-Spanning-Tree-Mechanismus verhindert dieses Problem, indem dieser aus den redundanten Übertragungswegen und Switches im Netzwerk eine logische Baumstruktur formt. An der Wurzel des Baumes befindet sich die Root-Bridge, die von allen Switches erreichbar ist. Die Root-Bridge versetzt bestimmte Netzverbindungen in den Backup-Modus. Die physikalischen Schleifen werden aufgebrochen und der Datenverkehr fließt nicht mehr über diese Wege. Die Backup-Links werden im Bedarfsfall (beispielsweise bei Netzproblemen) wieder freigegeben, um die Netzverbindungen wiederherzustellen. Eine erheblich bessere Verfügbarkeit (durch redundante Pfade) bietet die Ring-Topologie. Die ultimative Redundanz bieten die vermaschten (partiell beziehungsweise voll vermascht) Topologien durch mehrfach verfügbare Übertragungswege. Mit Hilfe des Rapid-Spanning-Trees (RSTP) ist eine Interoperabilität zwischen Switches unterschiedlicher Anbieter gewährleistet. Ganz anders sieht es jedoch bei den unterschiedlichen proprietären »Ring«-Protokollen aus. In all diesen Fällen legt man sich auf das Angebot eines Herstellers fest und ein Mischen unterschiedlicher Geräte wird damit verhindert.

Die Performance einer guten RSTP-Implementierung – wie »enhancedRSTP« (eRSTP) – sorgt für Umschaltzeiten im Fehlerfall von kleiner als 5 ms pro Switch.

Virtuelle LANs (VLANs) teilen die physikalischen Netzwerke in logisch getrennte Netzstrukturen auf. Dadurch reduzieren sich die für die Verkabelung und Geräte-Infrastrukturen entstehenden Kosten. Jedes VLAN repräsentiert eine eigene Kommunikationsdomäne. Dadurch werden die Ethernet-Pakete eines VLANs nicht in ein anderes VLAN übertragen. Eine strikte VLAN-Trennung ist empfehlenswert und unter Umständen in IEC-61850-Stationsnetzwerken sogar notwendig, wie beispielsweise:

• Das LAN-Management für Switches, Router, Modems, etc. in der Umspannanlage,
• SCADA/Engineering-Fernwirksysteme,
• GOOSE-Nachrichten,
• Video-Überwachung und
• Zugangskontrolle.

Darüber hinaus sorgen mehrere direkte Kabelverbindungen zwischen 61850-Komponenten für eine Erhöhung der Ausfallsicherheit. Dabei werden mehrere parallele physische Leitungen zu einer logischen Verbindung zusammengefasst. Hierfür nutzen die managebaren Switches das unter dem Oberbegriff »Link-Aggregation-Protocol (LACP)« standardisierte Verfahren.

1. Ethernet in rauen Umgebungen
2. Robuste Ethernet-Infrastrukturen
3. Netzwerk-Topologie, Redundanz und RSTP
4. Administration und Management