Die Achillessehne redundanter Ringe

Für Redundanz in industriellen Netzwerken gilt es, verschiedene Aspekte zu beachten. Sofern sich das Netzwerk auf einen redundanten Ring stützt, stellt sich die Frage: Inwieweit stimmt die Ringtopologie mit dem physischen Layout der Netzwerkknoten überein? Von wie vielen Ausfällen bei den Netzwerkknoten kann sich das System wirklich wieder erholen? Kein Redundanzsystem ist gänzlich betriebssicher. Insofern können die Antworten potenzielle Schwachstellen des Netzwerks aufzeigen und Strategien aufzeigen, wie diese gemindert werden können. Wenn es um Glasfasernetzwerke geht, werden die Fragen umso sachdienlicher. Kilometerweit Glasfaserkabel zu verlegen ist teuer, also sollte die Verkabelung effizient sein. Gleichzeitig soll mit einer vorhandenen Menge Kabel auch die maximale System-Widerstandsfähigkeit erzielt werden. \’One Redundancy\‘-Strategie Collapsed Ring ist die komfortabelste Art und Weise, mit einer redundanten Ringtopologie in einem Netzwerk Redundanz zu erzielen, das zahlreiche Netzwerkknoten weitgehend linear anordnet. Statt den Back-up-Link im Ring vom letzten Knoten in der Linie den gesamten Weg zurück zur Leitstelle zu verlinken, verbindet der Collapsed Ring alle Knoten miteinander. Wenn Netzwerkknoten auf diese Art und Weise angeordnet werden, bleibt jedes Einzelsegment des Netzwerks relativ kurz. Daher lässt sich Collapsed Ring in großflächigen Netzwerken einfacher einsetzen. Die Wartung wird ebenfalls vereinfacht, da einzelne Kabelausfälle getrost auf ein Segment eingegrenzt werden können. Im Gegensatz dazu muss sich der Back-up-Link eines Netzwerks, das in einem konventionellen Ring alle Knoten an den nächstgelegenen Knoten anbindet, über den gesamten Weg vom letzten bis zum ersten Knoten erstrecken. Aus diesem Grund ist Collapsed Ring in großen Glasfasernetzwerken, die ein redundantes Netzwerk über weite Strecken spannen müssen, beliebt. So z.B. in einer Textilfabrik in Moldova, die eine zuverlässige Ethernet-basierte Kommunikationsstruktur mit dem fabrikeigenen Stromversorgungssystem benötigte. Für die Energieversorgung der Produktionsanlagen sind neben einer 330kV Umspannstation (eine so genannte Feldstation) 30 entfernt gelegene 10kV-Transformator-Unterwerke sowie ein Stromversorgungs-Unterwerk verantwortlich. Alle Stationen nutzen eine Industrial Ethernet Glasfaser-Netzwerkinfrastruktur, um das Energieübertragungs-und Verteilungssystem zu optimieren und eine verbesserte Energieeffizienz für die Textilfabrik zu erzielen. Die Feldstationen übertragen Daten mittels Fernbedienungsterminals (Remote Terminal Unit, RTU) und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS). Deshalb muss zur Weiterleitung dieser Daten über das Ethernet-Netzwerk an das automatisierte Scada-System des Energienetzwerks in der Leitstelle eine seriell-zu-Ethernet-Lösung eingesetzt werden. Die Verfügbarkeit des Scada-Systems in der Leitstelle muss sieben Tage die Woche rund um die Uhr garantiert sein, damit jederzeit Steuerungs- und Überwachungsdaten von Systemen und Prozessen innerhalb der Produktionsanlage verfügbar sind. Ein redundanter Ethernet-Backbone mit kurzen Wiederherstellungszeiten muss deshalb sicherstellen, dass die Energieübertragung und -Verteilung konstant und ohne Ausfallzeiten durch Verbindungsunterbrechungen stattfinden kann. Seriell-zu-Ethernet-Geräteserver, die Relais und Sensoren an ein Glasfaser-Ethernet-Netzwerk anbinden, übertragen Echtzeitdaten an das Scada-System in der Leitstelle. Da sich die Endgeräte an verteilten, entfernt von der Leitstelle gelegenen Orten befinden, ist eine schnelle Datenübertragung über lange Strecken mit ausreichender Bandbreite notwendig, daher der Einsatz von Glasfaser. Die realen Grenzen von Collapsed Ring Collapsed Ring liefert also Netzwerkredundanz in der Langstrecken-Datenübertragung, in einer Topologie, die die Netzwerksegmente daran hindert, auf unüberschaubare Längen anzuwachsen. Folglich kann man einen Haken in das Redundanz-Kästchen setzen. Bevor hier jedoch schon Feierabend ist, sollten noch einige der tiefer greifenden Fragen beantwortet werden, und die möglichen Systemausfälle solcher Redundanzsysteme betrachtet werden. Ein redundanter Ring verhindert, dass eine einzelne Netzwerkverbindung oder der Ausfall eines Netzwerkknotens die gesamte Kommunikation unterbricht. Wenn eine Verbindung ausfällt, kann der Ring den Back-up-Link aktivieren, um abgeschnittene Netzwerkknoten aus der anderen Richtung anzusprechen. Ähnlich ist dies, wenn ein Knoten ausfällt. Der Back-up-Link erhält zumindest den Datenfluss zu anderen Knoten im Ring aufrecht. Jedoch kann der Ring sich nur von einem Ausfall erholen. Im dem Moment, wenn ein zweiter Ausfall passiert, kann der Ring nicht mehr alle Knoten erreichen. Was bedeutet das in der Realität? Verbindungsausfälle rühren von Kabelausfällen her, die gemeinhin auf ein Kabel begrenzt sind. Insofern schwächt die Einschränkung durch einen einzelnen Ausfall der Netzwerkverbindung nicht gleich das gesamte Netzwerk. Der Ausfall eines Netzwerkknotens ist jedoch eine andere Geschichte. Ein typischer Grund für Knotenausfälle ist die Stromversorgung, z.B. Stromausfall oder Überspannung. Solche Probleme sind fast nie auf einen einzelnen Knoten begrenzt, sondern beeinträchtigen größere Segmente von Knoten im System. Mehrere Ausfälle gleichzeitig verhindern die Kommunikation des Collapsed Ring mit den Knoten, sogar mit jenen, die nicht vom Ausfall betroffen sind. Beide Pfade zu den unversehrten Knoten, der Primär- und der Back-up-Pfad, am weitesten von der Leitstelle entfernt, sind abgeschnitten. Dieses Szenario beschreibt die Achillessehne redundanter Ringe: Sie sind nicht in der Lage, mit mehreren simultanen Knotenausfällen gleichzeitig fertig zu werden. Schwächen erkennen und bezwingen Mit dem Wissen über System-Schwachstellen können Netzwerkintegratoren Mechanismen konstruieren, die den potenziellen Schaden eingrenzen. Zum einen kann die redundante Spannungszufuhr durch den Einsatz von Back-up-Generatoren das Ausfallpotenzial begrenzen. Zum anderen gibt es auch für den schlimmsten Fall der Fälle eine Lösung: Relais-Bypass. Mit der Relais-Bypass-Technologie kann die Netzwerkkommunikation durch einen deaktivierten Netzwerkknoten weiterfließen. Wenn der Netzwerkswitch ausgeschaltet ist, lenkt der Switch Port die Daten um, weiter zum nächsten Switch im Netzwerk. Mithilfe der Relais-Bypass-Technologie kann ein redundanter Ring den Ausfall mehrerer Netzwerkknoten besser überbrücken. Die ausgefallenen Switches werden umschifft, und die Kommunikation mit dem Rest des Netzwerks bleibt unberührt. Diese Funktion reduziert eine der größten Schwächen des redundanten Collapsed Ring Netzwerkes. Relais-Bypass für Glasfasernetzwerke Die Relais-Bypass Technologie lässt sich in linearen Topologien mit Kupferverkabelung einsetzen. Ihr Einsatz in Glasfasernetzwerken ist jedoch schwieriger, weil Glasfaserswitche diese Funktionalität nicht besitzen. Hier kommen Überbrückungsrelais zum Einsatz. Moxas OBU-102 ist ein solches Überbrückungsrelais, ein Einzelgerät, das jedem Glasfaserswitch die Relais-Bypass-Funktion hinzufügen kann. Das Überbrückungsrelais sitzt zwischen einem Glasfaserswitch und dem Rest des Netzwerks. Sobald das Gerät einen Stromausfall erkennt, umgeht es automatisch den angeschlossenen Switch und sendet die Daten weiter zum nächsten. Dadurch eliminiert das Relais die besondere Schwäche der Collapsed Ring Glasfasernetzwerke. So wird im Beispiel der Textil­fab­rik die zuverlässige und effiziente Kommunikation zwischen den RTUs und dem zentralen Scada-System gewährleistet. Der gesamte Netzwerkring nutzt Moxas Managed Ethernet Switches EDS-408A, um sich die selbstheilende proprietäre Turbo Ring-Technologie zu Nutze zu machen. Turbo Ring erzielt bei einem Ausfall Wiederherstellungszeiten von weniger als 20ms und stellt somit sicher, dass im Falle einer Verbindungsunterbrechung keine Daten verloren gehen und keine Unterbrechung der Energieversorgung stattfindet. Um sich zusätzlich gegen den Ausfall mehrerer Netzwerkknote zu wappnen und die ununterbrochene Kommunikation des Collapsed Ring mit den Knoten sicherzustellen, setzt die Textilfabrik OBU-102 ein. In Glasfasernetzwerken, die in einfacher Linientopologie aufgebaut sind, ist das Relais ebenfalls nützlich, da es die Fähigkeit der Netzwerkknoten, sich von Ausfällen zu erholen, verbessert. Bild 2 zeigt, wie das Überbrückungsrelais bei Ausfall eines Ethernet Switches an einem Netzwerkknoten den Signalen ermöglicht, diesen Knoten zu umschiffen, sodass die Verbindung zwischen den Knoten auf beiden Seiten erhalten bleibt. Redundanz neu durchdenken Netzwerkredundanz ist eine wichtige Anforderung, und redundante Ringe sind ein nützliches Werkzeug dafür. Jedoch ist es wichtig, den nächsten Schritt zu durchdenken, und potenzielle Schwächen des redundanten Netzwerks zu identifizieren, sodass sich ein Plan für deren Ausgleich entwickeln lässt. Eine der Möglichkeiten dazu ist das Überbrückungsrelais. Das Glasfaser-Überbrückungsrelais OBU-102 eignet sich dafür, jeglichen Netzwerkknoten die Relais-Überbrückungsfunktion zuzufügen. In linearen Topologien können ein einziger Stromausfall oder die Fehlfunktion eines Knotenpunkts große Teile des Netzwerks lahmlegen, wenn dadurch die weiterführende Kommunikation unterbrochen wird. Mit der Relais-Überbrückungsfunktion wird ein fehlerhafter Knotenpunkt einfach umgangen, und der restliche Teil des Netzwerks bleibt unberührt. Das Relais sitzt zwischen dem Knotenpunkt und dem Netzwerk, um Switches, die die Überbrückung nicht unterstützen, mit dieser Funktion auszustatten. Im Normalbetrieb fungiert Das Überbrückungsrelais einfach als Gateway, das den Datenverkehr zu und vom Switch weiterleitet. Sofern es zum Stromausfall kommt, umgeht das Gerät den unversorgten Switch und leitet den Netzwerkverkehr an den nächsten Switch weiter. Das Überbrückungsrelais eignet sich für Anwendungen über lange Strecken und solche mit hohen Bandbreiten, wie im Transportwesen oder den erneuerbaren Energien. Kasten 1: Merkmale des Überbrückungsrelais OBU-102: – Unterstützt 100M, 1G, 10G Glasfaserverbindungen mit SC/ST/LC-Schnittstellen – Redundante duale 12/24/48VDC-Spannungseingänge – IP30 Metallgehäuse – -20 bis 70°C Betriebstemperatur – Niedriger Stromverbrauch von 0,72W – Hutschienenmontage möglich