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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Sicherstellung eines unidirektionalen Datenverkehrs zwischen zwei Segmenten eines Ethernet-Netzwerkes.
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Die Kommunikation zwischen Leittechnik-Rechnern und Bedien- und Beobachtungssystemen in einer technischen Anlage, speziell in einem Kernkraftwerk, erfolgt in der Regel über Ethernet-Netzwerke, die zum Zwecke der elektrischen Entkopplung zumindest abschnittsweise als Lichtwellenleiter (LWL) ausgeführt sind. Im Bereich von Kernkraftwerken, welche mit dem Sicherheits-Leittechnik-System TELEPERM XS ausgerüstet sind, wird auch der Begriff TXS-ETHERNET verwendet, da im konkreten Fall ein Protokoll verwendet wird, welches streng zyklisch und ohne Rückmeldung der empfangenden Einheit die Kommunikation abwickelt. Dabei stehen für Senderichtung und Empfangsrichtung jeweils eigene LWL-Fasern zur Verfügung. Aus Gründen der IT-Sicherheit werden in bestimmten Anwendungsfällen unidirektionale Verbindungen gefordert, was prinzipiell durch Weglassen einer LWL-Faser erreicht werden kann. Marktübliche Netzwerkkomponenten unterbrechen jedoch die gesamte Kommunikation eines optischen Ports, wenn der Empfänger dieses Ports keine Kontrollsignale der Gegenseite mehr erhält.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, die mit einfachen Mitteln und auf zuverlässige und sichere Weise einen unidirektionalen Datenverkehr zwischen zwei Segmenten eines Ethernet-Netzwerkes sicherstellen bzw. ermöglichen.
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Demnach beruht die erfindungsgemäße Vorrichtung auf einem Medienwandler, der zwei physikalische Schnittstellenbausteine aufweist, die jeweils eine mediumabhängige Schnittstelle und eine medienunabhängige Schnittstelle besitzen, wobei die beiden medienunabhängigen Schnittstellen über Daten- und Steuerleitungen miteinander verbunden sind, und wobei der Datenverkehr über die Daten- und Steuerleitungen in einer Richtung durch zumindest ein an einem der physikalischen Schnittstellenbausteine anliegendes Sperrsignal, verknüpft mit einem Steuersignal, blockiert ist.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass man die oben genannte Aufgabe zwar prinzipiell durch Weglassen einer LWL-Faser im optischen Netzwerksegment lösen könnte. Handelt es sich bei der Sende-Einheit um eine optische Schnittstelle eines Ethernet Switches, dann muss dem Empfänger dieses optischen Ports aus einem zusätzlichen Ethernet Switch ein Kontrollsignal eingespeist werden, damit die Sende-Einheit die Netzwerkverbindung als gültig erkennt und den entsprechenden Port nicht separiert. Für die korrekte Funktion dieser Manipulation würden in einem üblichen Netzwerk zwei zusätzliche optische Schnittstellen benötigt, was relativ aufwendig wäre und zusätzlichen Einbauraum in einem Schaltschrank erfordern würde.
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In bewusster Abkehr von dieser Idee beschreitet die Erfindung daher einen anderen Weg, anknüpfend an die Tatsache, dass in einem Netzwerk mit optischen und elektrischen Segmenten Medienwandler benötigt werden, die an jeder Schnittstelle eine Anpassung der Signale an die physikalischen Anforderungen der zugehörigen Übertragungsmedien vornehmen. Dazu bietet der Markt spezifische Bauelemente in Gestalt von physikalischen Schnittstellenbausteinen (PHY), die ausgehend von einer genormten medienunabhängigen Schnittstelle (MII) diese Anpassung vornehmen. Wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung erkannt wurde, kann durch die Sperrung von Steuersignalen bzw. Kontrollsignalen auf der MII-Schnittstelle zwischen den beiden PHYs eines Medienwandlers ein unidirektionaler Datenverkehr erzeugt und gewährleistet werden, ohne die Kontrollmechanismen der Schnittstellenüberwachung zu beeinflussen. Das Grundprinzip der Erfindung lässt sich somit zusammenfassend als Sperrung einer Kommunikationsrichtung im internen Übertragungspfad eines Medienwandlers charakterisieren.
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Man kann das System auch als eine spezielle Form einer Datendiode bezeichnen. In der Funktion dieser Datendiode werden unabhängig von der Richtungstrennung der Datenströme Link-Impulse in die Netzwerkleitungen eingespeist, so dass angeschlossene Netzwerkkomponenten (Switche) die Netzwerkverbindung als gültig erkennen und den entsprechenden Port nicht separieren.
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Eine schaltungstechnisch in Hardware ausgeführte Lösung ist aufgrund der angestrebten Unabhängigkeit und Manipulationssicherheit einer softwarebasierten Lösung vorzuziehen. Darüber hinaus wird bei der hier beschriebenen Lösung die Anzahl der beteiligten Komponenten auf ein Mindestmaß reduziert. Dies spart Platz im Leittechnikschrank und verringert das Ausfallrisiko der betroffenen Funktion. Ein weiterer Vorteil der hier vorgeschlagenen Lösung liegt in der geringen Komplexität der beteiligten, standardisierten Bauelemente, so dass insbesondere im nuklearen Umfeld eine entsprechende Qualifizierung und Betriebsgengenehmigung vergleichsweise einfach zu erlangen ist.
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In bevorzugter Ausführung kann das zur Sperrung einer Datenrichtung anliegende Steuersignal durch einen Schalter zu- oder abgeschaltet werden. Damit ist es möglich, nur zeitweise den Datenverkehr auf eine Richtung zu beschränken. Auch eine Umschaltung von der einen auf die andere Richtung oder eine Sperrung in beide Richtungen, aber auch ein vorübergehender bidirektionaler Datenverkehr ist so realisierbar.
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Im Regelfall wird der Medienwandler als Schnittstelle zwischen einem optischen und einem elektrischen Segment des Netzwerks fungieren. Prinzipiell ist es aber auch möglich, zwei gleichartige PHYs in der hier beschriebenen Weise zusammenzuschalten, etwa als Schnittstelle zwischen zwei elektrischen Segmenten oder zwischen zwei optischen Segmenten. Der Begriff „Medienwandler“ ist in diesem Fall entsprechend weit zu verstehen.
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Eine besondere bevorzugte Anwendung betrifft eine digitale Prozessleittechnik vom Typ TELEPERM XS (TXS) für ein Kernkraftwerk. Innerhalb des Systems TELEPERM XS werden nämlich die Telegramme auf unterster Netzwerkprotokollebene ohne Rückmeldung bzw. Empfangsbestätigung versendet, so dass für die Systemerfordernisse kein Rückkanal erforderlich ist. Eine hardwareseitig gewährleistete unidirektionale Datenübertragung schafft hier zusätzliche Sicherheit bei der Ankopplung von Bedien- und/oder Beobachtungssystemen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert.
- 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zur Sicherstellung eines unidirektionalen Datenverkehrs zwischen zwei Segmenten eines Ethernet-Netzwerkes.
- 2 zeigt ein Blockschaltbild einer konkreten Implementierung der Vorrichtung gemäß 1.
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In der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren werden folgende, dem Fachmann geläufige Abkürzungen verwendet:
| MII | MEDIA INDEPENDENT INTERFACE = medienunabhängige Schnittstelle |
| PHY | PHYSICAL LAYER DEVICE = physikalischer Schnittstellenbaustein |
| MDI | MEDIUM DEPENDENT INTERFACE = mediumabhängige Schnittstelle |
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Die entsprechenden Funktions- und Daten-Definitionen sind in der Ethernet-Norm IEEE 802.3 enthalten.
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Des Weiteren werden folgende Abkürzungen verwendet:
| A/B | In 1 zur Unterscheidung der beiden Schnittstellen |
| CTRL | Steuersignal zur Sperrung / Freigabe der Datenrichtungen A → B und/oder B → A |
| TX-PHY | PHY zur Umwandlung eines Datenstromes gemäß MII Spezifikation zwischen einer MDI für den elektrischen Netzanschluss und der MII |
| FX-PHY | PHY zur Umwandlung eines Datenstromes gemäß MII Spezifikation zwischen einer MDI für den optischen Netzanschluss und der MII |
| TXD | Mediumabhängiger Sendekanal des jeweiligen PHY |
| RXD | Mediumabhängiger Empfangskanal des jeweiligen PHY |
| MII-TXD | Medienunabhängiger Daten- und Steuer-Kanal in der Senderichtung des jeweiligen PHY an dessen MII-Schnittstelle |
| MII-RXD | Medienunabhängiger Daten- und Steuer-Kanal in der Empfangsrichtung des jeweiligen PHY an dessen MII-Schnittstelle |
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1 zeigt die grundsätzliche Funktion eines Medienwandlers für die Kommunikation in Ethernet Netzwerken unabhängig von der tatsächlichen physikalischen Ausprägung der Ethernet Schnittstelle.
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Dabei erfolgt die Wandlung jeweils über physikalische Schnittstellenbausteine PHY, die über eine medienunabhängige Schnittstelle MII zusammengeschaltet sind. Der im oberen Teil dargestellte Baustein PHY_A bedient dabei den Busanschluss A über die mediumabhängige Schnittstelle MDI mit dem Sendekanal TXD_A und dem Empfangskanal RXD_A am linken Rand. Der im unteren Teil dargestellte Baustein PHY_B bedient in analoger Weise den Busanschluss B über die mediumabhängige Schnittstelle MDI mit dem Sendekanal TXD_B und dem Empfangskanal RXD_B am linken Rand.
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Beispielsweise kann es sich bei dem Baustein PHY_A um einen Baustein TX-PHY mit einer elektrischen Schnittstelle handeln, und beim Baustein PHY_B kann es sich um einen Baustein FX-PHY mit einer (faser-) optischen Schnittstelle handeln, so dass insgesamt ein Medienwandler zur Umwandlung elektrischer Signale in optische Signale und umgekehrt verwirklicht ist.
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Die beiden Bausteine PHY_A und PHY_B tauschen ihre Daten über eine Auswahl der Daten- und Steuerleitungen der medienunabhängigen Schnittstelle MII miteinander aus.
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Ein beispielsweise am Eingang RXD_A des Schnittstellenbausteins PHY_A empfangener Datenstrom wird normalerweise an dessen zugehörigen Ausgang MII-RXD_A weitergeleitet, von dort über die zugehörigen Daten- und Steuerleitungen an den Eingang MII-TXD_B des physikalischen Schnittstellenbausteins PHY_B übertragen und schließlich an dessen Ausgang TXD_B weitergeleitet. Die Datenübertragung in der umgekehrten Richtung erfolgt analog.
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In der Übertragungsrichtung von der Schnittstelle PHY_A zur Schnittstelle PHY_B werden aus den Signalgruppen MII-RXD_A und MII-TXD_B die Signale gemäß Tabelle 1 verwendet:
| PHY_A | | PHY_B |
| Receive Clock | RXC_A | → | Transmit Clock | TXC_B |
| Receive Data Valid | RXDV_A | → | Transmit Data Enable | TXEN_B |
| Receive Data | RXD_A<3:0> | → | Transmit Data | TXD_B<3:0> |
| Tabelle 1 |
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In der umgekehrten Übertragungsrichtung von der Schnittstelle PHY_B zur Schnittstelle PHY_A werden auf analoge Weise Signale aus den Signalgruppen MII-RXD_B und MII-TXD_A gemäß Tabelle 2 verwendet:
| PHY_B | | PHY_A |
| Receive Clock | RXC_B | → | Transmit Clock | TXC_A |
| Receive Data Valid | RXDV_B | → | Transmit Data Enable | TXEN_A |
| Receive Data | RXD_B<3:0> | → | Transmit Data | TXD_A<3:0> |
| Tabelle 2 |
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Jeder serielle Datenstrom, der nach der oben beschriebenen Übertragung über die medienunabhängige Schnittstelle MII von einer der beiden mediumabhängigen Schnittstellen MDI empfangen wird, erzeugt seinerseits das Empfangssignal RXDV, welches den Freigabeeingang TXEN am anderen der beiden physikalischen Schnittstellenbausteine PHY zur Weiterleitung der Daten ansteuert.
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Durch Festlegen des Steuereingangs TXEN am jeweiligen physikalischen Schnittstellenbaustein PHY auf Low-Signal wird die Datenübertragung der Signale TXD<3:0> gesperrt. Dies macht man sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung zunutze, um eine unidirektionale Datenübertragung sicherzustellen bzw. zu erzwingen.
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Als Beispiel im Fall einer unidirektionalen Übertragung von A → B ist also das Signal TXEN_A durch feste Vorgabe eines Low-Signals am entsprechenden Steuersignal-Eingang des PHY_A in den sicheren gesperrten Zustand zu setzen. Diese Einstellung wird in 1 durch den angedeuteten Schalter CTRL-B-A mit dem vorgegebenen Signal „0“ vorgenommen. Der Schalter CTRL-A-B muss in diesem Fall für das Steuersignal RXDV_A → TXEN_B durchverbunden sein.
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Im umgekehrten Fall einer unidirektionalen Übertragung von B → A würde man den Datenverkehr in der Gegenrichtung auf analoge Weise durch Low-Vorgabe des TXEN_B Signals am Eingang des PHY_B sperren, was durch den angedeuteten Schalter CTRL-A-B vorgenommen wird. Der Schalter CTRL-B-A muss in diesem Fall für das Steuersignal RXDV_B → TXEN_A durchverbunden sein.
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Zusammengefasst kann der Kommunikationsweg über die MII Schnittstelle durch Schaltungsmaßnahmen hardwareseitig gesteuert werden, ohne die Kontrollmechanismen (Schnittstellenüberwachungssignale) der Schnittstellen außer Kraft zu setzen. Insbesondere bleibt bei einem optischen PHY-Baustein die Aussendung der Link-Kontroll-Pulse in den angeschlossenen Lichtwellenleiter erhalten.
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In der praktischen Ausführung entsprechend 2 (vereinfachte Darstellung) ist das Schaltungsprinzip aus 1 wieder zu erkennen mit weiteren technischen Einzelheiten. Hier ist der untere Schnittstellenbaustein TX-PHY für einen elektrischen Busanschluss mittels RJ45-Stecker ausgelegt, und der obere Schnittstellenbaustein FX-PHY ist für einen optischen Busanschluss mittels Duplex-SC-Stecker ausgelegt. Bei einer vorteilhaften Ausführung mit einem Medienwandler 100Base-FX ↔ 100Base-TX gemäß IEEE802.3 wird die Funktion der unidirektionalen Datenübertragung steuerbar ausgeführt. Die praktische Realisierung sieht hier Parametrierungsmöglichkeiten für die Vorgabe der Datenrichtung und die Freigabe durch ein externes binäres Eingangssignal „DD-DISABLE“ vor, weshalb zur Vereinfachung der Darstellung diese Schaltungsfunktionen im Block „DIR CONTROL UNIT“ zusammengefasst sind.
