IEC 61375 White Paper
Ein Zugkommunikationsnetzwerk (TCN - Train Communication Network) ist ein Ethernet-basiertes Netzwerksteuerungssystem, das sich auf die Steuerung, Erkennung und Diagnose von Schienenfahrzeugen bezieht.
Die internationale Norm IEC 61375 wird in Zusammenarbeit mit den Mitgliedern der International Electrotechnical Commission (IEC) und des International Union of Railways (UIC) definiert.
Die Definition der Norm IEC 61375 bezüglich des TCN lässt sich in zwei Teile unterteilen:
Einer ist ein Ethernet Train Backbone (ETB) und der andere ein Ethernet Consist Network (ECN). Das ETB ist für die Verbindungen zwischen den ECNs in jedem Fahrzeug zuständig. Die Anforderungen und Anwendungen von ETB sind in IEC 61375-2-5 definiert, während die Anforderungen und Anwendungen von ECN in der Norm IEC 61375-3-4 definiert sind.
Siehe Abbildung 1, die eine typische Schienenfahrzeugkonfiguration für ein ETB- und ein ECN-Datennetz zeigt.
Abbildung 1 - Typische Konfiguration von Schienenfahrzeugen
Spezifikationen der Netzwerktopologie in IEC 61375-3-4-4
IEC 61375-3-4 definiert, dass jedes Endgerät (ED) in einem Zugwagen in den folgenden Topologien mit Ethernet-Switches und einem Train Backbone Node (TBN) konfiguriert werden kann:
1. Linear topology (Bus Topologie)
2. Linear topology (parallel network) mit dual homing (Bus Topologie mit Dual Homing)
3. Ring topology (Ring Topologie)
4. Ring topology mit dual homing (Bus Topologie mit Dual Homing)
5. Ladder topology mit dual homing (Leiter Topologie mit Dual Homing)
Bitte beachten Sie die Abbildung 2 jeder der verschiedenen möglichen Topologien.
Abbildung 2 - Mögliche Topologien in IEC 61375-3-4-4
Spezifikationen der ECN-Netzwerkdaten in IEC 61375-3-4-4
IEC 61375-3-4 definiert Netzwerkdaten, die über das ECN übertragen werden, in fünf Typen: Prozessdaten, Nachrichtendaten, Streamdaten, Best Effort Daten und Überwachungsdaten. Jeder in einem ECN installierte Ethernet-Switch muss diese fünf Arten von Datenpaketen weiterleiten können und einen redundanten Schutz bieten.
So ist beispielsweise in der Norm IEC 61375 das Train Real-time Data Protocol (TRDP) als Überwachungsdaten-Protokoll definiert. Ein ECN-Ethernet-Switch muss in der Lage sein, TRDP-Pakete weiterzuleiten und redundanten Schutz zu bieten, wenn der Switch nicht funktioniert oder das Netzwerk ausgefallen ist. Somit können alle Geräte, die über TRDP kommunizieren, unter diesen Bedingungen normal arbeiten.
Gleichzeitig verlangt die IEC 61375-3-4, dass ein in einem ECN installierter Ethernet-Switch in der Lage sein muss, Quality of Service (QoS) zu unterstützen und Prioritätsstufen für die übertragenen Daten im ECN festzulegen. Bitte beachten Sie die Abbildung 3, die ein Datennetz ohne und mit QoS beschreibt.
Abbildung 3 - Datennetz ohne und mit QoS
Die Definition der Prioritätsstufen erfolgt durch die Kontrollanwendung im ECN. Im Standardwert sind die Überwachungsdaten auf die höchste Priorität eingestellt. Mit QoS-Management sollte ein ECN-Ethernet-Switch der Definition der Steuerungsanwendung folgen und kritische Daten entsprechend der zugewiesenen Prioritätsstufe an den Host oder das TBN-Netzwerk senden.
Wagenübergreifende Kommunikation - Integration mit R-NAT in IEC 61375-2-5
Da jeder Zugwagen in der Norm IEC 61375-2-5 als eigenständige Domäne betrachtet wird, muss der Kommunikation zwischen zwei Wagen eine Routing-Funktion vorausgehen. Die Norm IEC 61375-2-5 verlangt, dass die Netzwerkgeräte im ECN Daten über das TBN per R-NAT von einem Fahrzeug zum anderen übertragen müssen.
In der Abbildung 4 möchte das Gerät #53 mit der IP-Adresse 10.0.0.53 im Wagen Nr. 5 Daten an das Gerät #21 mit der IP-Adresse 10.0.0.21 im Wagen Nr. 7 übertragen. Die IP-Adresse des TBN-Ethernet-Switches in Wagen Nr. 5 ist 10.129.64.53, während die IP-Adresse des TBN-Ethernet-Switches in Wagen Nr. 7 10.129.192.21 ist. Zunächst werden die Daten an das Gateway ECN (IP-Adresse 10.0.0.1) übertragen, das ein ECN-Ethernet-Switch oder ein TBN-Ethernet-Switch sein kann. Die Daten werden danach an den TBN Ethernet Switch (IP-Adresse 10.129.64.53) übertragen.
Bei der Übertragung von R-NAT wird die Quell-IP-Adresse durch 10.129.64.53 ersetzt und dann an den TBN-Ethernet-Switch 10.129.192.21 im Wagen Nr. 7 übertragen. Wenn das Paket am TBN-Ethernet-Switch in Wagen Nr. 7 ankommt, wird die Zieladresse über R-NAT wieder auf 10.0.0.21 geändert und die Quelladresse von 10.129.64.53 beibehalten. Schließlich gelangt das Paket auf das Gerät #21 (IP-Adresse 10.0.0.21) im Wagen Nr.7.
Abbildung 4 - Ein Beispiel für die Kommunikation zwischen Zügen und Waggons
Fazit
In einem normalen Ethernet-Datennetzwerk wird das Netzwerk in eine Backboneseite und eine Edge-Seite unterteilt. In einem Zugkommunikationsnetz ist das Netz jedoch in ein ETB und ein ECN unterteilt. Endgeräte können sich direkt an einen TBN-Ethernet-Switch anschließen, wenn nicht eine große Anzahl von Endgeräten vorhanden ist. Wenn die Anzahl der Endgeräte groß ist und der Netzwerkfluss über QoS oder VLAN verwaltet werden muss, sollte das ECN mit einer hierarchischen Struktur implementiert werden. In jedem Zugwagen können ein oder mehrere ECNs mit einem IEC 61375-3-4 konformen Ethernet-Switch für eine einfache Verwaltung installiert sein. In Anbetracht der Installations- und Wartungskosten können die Ethernet-Switches von Lantech sowohl IEC 61375-2-5 (ETB) als auch IEC 61375-3-4 (ECN) gleichzeitig unterstützen. Diese Produkte werden dazu beitragen, dass Betreiber und Installationsunternehmen ihre Investitionskosten senken können, indem sie eine größere Flexibilität bei der Gestaltung der Netztopologie bieten.
Empfohlene Lantech IEC 61375 Ethernet Switch Modelle
TPGS-5416MGFT-8/16-TCN
16x10/100/1000T (8 or 16 PoE at ports)
+ 2x10/100/1000T ports
+ 2x1G/2.5G Q-ODC fiber ports
EN50155 IEC 61375 TCN Switch
TPES-5424MGFT-16-TCN
24x10/100TX (16 PoE at ports)
+ 2x10/100/1000T ports
+ 2x1G/2.5G Q-ODC fiber ports
EN50155 IEC 61375 TCN Switch
TPES-5408MGFT-8-TCN
8x10/100TX PoE at ports
+ 2x10/100/1000T ports
+ 2x1G/2.5G Q-ODC fiber ports
EN50155 IEC 61375 TCN Switch
TPGS-5608T-TBN
8x10/100/1000T PoE at ports
+ 6x10/100/1000T ports
EN50155 IEC 61375 TBN Switch w/ R-NAT
TPGS-6608XT-TBN
8x10/100/1000T PoE at ports
+ 6x10G copper ports
EN50155 IEC 61375 TBN Switch w/ R-NAT
Ein Zugkommunikationsnetzwerk (TCN - Train Communication Network) ist ein Ethernet-basiertes Netzwerksteuerungssystem, das sich auf die Steuerung, Erkennung und Diagnose von Schienenfahrzeugen bezieht.
Die internationale Norm IEC 61375 wird in Zusammenarbeit mit den Mitgliedern der International Electrotechnical Commission (IEC) und des International Union of Railways (UIC) definiert.
Die Definition der Norm IEC 61375 bezüglich des TCN lässt sich in zwei Teile unterteilen:
Einer ist ein Ethernet Train Backbone (ETB) und der andere ein Ethernet Consist Network (ECN). Das ETB ist für die Verbindungen zwischen den ECNs in jedem Fahrzeug zuständig. Die Anforderungen und Anwendungen von ETB sind in IEC 61375-2-5 definiert, während die Anforderungen und Anwendungen von ECN in der Norm IEC 61375-3-4 definiert sind.
Siehe Abbildung 1, die eine typische Schienenfahrzeugkonfiguration für ein ETB- und ein ECN-Datennetz zeigt.
Abbildung 1 - Typische Konfiguration von Schienenfahrzeugen
Spezifikationen der Netzwerktopologie in IEC 61375-3-4-4
IEC 61375-3-4 definiert, dass jedes Endgerät (ED) in einem Zugwagen in den folgenden Topologien mit Ethernet-Switches und einem Train Backbone Node (TBN) konfiguriert werden kann:
1. Linear topology (Bus Topologie)
2. Linear topology (parallel network) mit dual homing (Bus Topologie mit Dual Homing)
3. Ring topology (Ring Topologie)
4. Ring topology mit dual homing (Bus Topologie mit Dual Homing)
5. Ladder topology mit dual homing (Leiter Topologie mit Dual Homing)
Bitte beachten Sie die Abbildung 2 jeder der verschiedenen möglichen Topologien.
Abbildung 2 - Mögliche Topologien in IEC 61375-3-4-4
Spezifikationen der ECN-Netzwerkdaten in IEC 61375-3-4-4
IEC 61375-3-4 definiert Netzwerkdaten, die über das ECN übertragen werden, in fünf Typen: Prozessdaten, Nachrichtendaten, Streamdaten, Best Effort Daten und Überwachungsdaten. Jeder in einem ECN installierte Ethernet-Switch muss diese fünf Arten von Datenpaketen weiterleiten können und einen redundanten Schutz bieten.
So ist beispielsweise in der Norm IEC 61375 das Train Real-time Data Protocol (TRDP) als Überwachungsdaten-Protokoll definiert. Ein ECN-Ethernet-Switch muss in der Lage sein, TRDP-Pakete weiterzuleiten und redundanten Schutz zu bieten, wenn der Switch nicht funktioniert oder das Netzwerk ausgefallen ist. Somit können alle Geräte, die über TRDP kommunizieren, unter diesen Bedingungen normal arbeiten.
Gleichzeitig verlangt die IEC 61375-3-4, dass ein in einem ECN installierter Ethernet-Switch in der Lage sein muss, Quality of Service (QoS) zu unterstützen und Prioritätsstufen für die übertragenen Daten im ECN festzulegen. Bitte beachten Sie die Abbildung 3, die ein Datennetz ohne und mit QoS beschreibt.
Abbildung 3 - Datennetz ohne und mit QoS
Die Definition der Prioritätsstufen erfolgt durch die Kontrollanwendung im ECN. Im Standardwert sind die Überwachungsdaten auf die höchste Priorität eingestellt. Mit QoS-Management sollte ein ECN-Ethernet-Switch der Definition der Steuerungsanwendung folgen und kritische Daten entsprechend der zugewiesenen Prioritätsstufe an den Host oder das TBN-Netzwerk senden.
Wagenübergreifende Kommunikation - Integration mit R-NAT in IEC 61375-2-5
Da jeder Zugwagen in der Norm IEC 61375-2-5 als eigenständige Domäne betrachtet wird, muss der Kommunikation zwischen zwei Wagen eine Routing-Funktion vorausgehen. Die Norm IEC 61375-2-5 verlangt, dass die Netzwerkgeräte im ECN Daten über das TBN per R-NAT von einem Fahrzeug zum anderen übertragen müssen.
In der Abbildung 4 möchte das Gerät #53 mit der IP-Adresse 10.0.0.53 im Wagen Nr. 5 Daten an das Gerät #21 mit der IP-Adresse 10.0.0.21 im Wagen Nr. 7 übertragen. Die IP-Adresse des TBN-Ethernet-Switches in Wagen Nr. 5 ist 10.129.64.53, während die IP-Adresse des TBN-Ethernet-Switches in Wagen Nr. 7 10.129.192.21 ist. Zunächst werden die Daten an das Gateway ECN (IP-Adresse 10.0.0.1) übertragen, das ein ECN-Ethernet-Switch oder ein TBN-Ethernet-Switch sein kann. Die Daten werden danach an den TBN Ethernet Switch (IP-Adresse 10.129.64.53) übertragen.
Bei der Übertragung von R-NAT wird die Quell-IP-Adresse durch 10.129.64.53 ersetzt und dann an den TBN-Ethernet-Switch 10.129.192.21 im Wagen Nr. 7 übertragen. Wenn das Paket am TBN-Ethernet-Switch in Wagen Nr. 7 ankommt, wird die Zieladresse über R-NAT wieder auf 10.0.0.21 geändert und die Quelladresse von 10.129.64.53 beibehalten. Schließlich gelangt das Paket auf das Gerät #21 (IP-Adresse 10.0.0.21) im Wagen Nr.7.
Abbildung 4 - Ein Beispiel für die Kommunikation zwischen Zügen und Waggons
Fazit
In einem normalen Ethernet-Datennetzwerk wird das Netzwerk in eine Backboneseite und eine Edge-Seite unterteilt. In einem Zugkommunikationsnetz ist das Netz jedoch in ein ETB und ein ECN unterteilt. Endgeräte können sich direkt an einen TBN-Ethernet-Switch anschließen, wenn nicht eine große Anzahl von Endgeräten vorhanden ist. Wenn die Anzahl der Endgeräte groß ist und der Netzwerkfluss über QoS oder VLAN verwaltet werden muss, sollte das ECN mit einer hierarchischen Struktur implementiert werden. In jedem Zugwagen können ein oder mehrere ECNs mit einem IEC 61375-3-4 konformen Ethernet-Switch für eine einfache Verwaltung installiert sein. In Anbetracht der Installations- und Wartungskosten können die Ethernet-Switches von Lantech sowohl IEC 61375-2-5 (ETB) als auch IEC 61375-3-4 (ECN) gleichzeitig unterstützen. Diese Produkte werden dazu beitragen, dass Betreiber und Installationsunternehmen ihre Investitionskosten senken können, indem sie eine größere Flexibilität bei der Gestaltung der Netztopologie bieten.
Empfohlene Lantech IEC 61375 Ethernet Switch Modelle
TPGS-5416MGFT-8/16-TCN
16x10/100/1000T (8 or 16 PoE at ports)
+ 2x10/100/1000T ports
+ 2x1G/2.5G Q-ODC fiber ports
EN50155 IEC 61375 TCN Switch
TPES-5424MGFT-16-TCN
24x10/100TX (16 PoE at ports)
+ 2x10/100/1000T ports
+ 2x1G/2.5G Q-ODC fiber ports
EN50155 IEC 61375 TCN Switch
TPES-5408MGFT-8-TCN
8x10/100TX PoE at ports
+ 2x10/100/1000T ports
+ 2x1G/2.5G Q-ODC fiber ports
EN50155 IEC 61375 TCN Switch
TPGS-5608T-TBN
8x10/100/1000T PoE at ports
+ 6x10/100/1000T ports
EN50155 IEC 61375 TBN Switch w/ R-NAT
TPGS-6608XT-TBN
8x10/100/1000T PoE at ports
+ 6x10G copper ports
EN50155 IEC 61375 TBN Switch w/ R-NAT
