Technologie

Digitale Technologien im ÖPNV

Die Digitalisierung bringt eine tiefgreifende Veränderung für Betriebe des öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV) mit sich. Betriebsabläufe und -prozesse müssen neu definiert und organisiert werden. Eine zentrale Rolle bei der Digitalisierung von Prozessen spielt die Informationstechnologie (IT). Ob bei der betrieblichen Planung, bei ganzen Abläufen oder einzelnen Vorgängen – die IT kann mehr als nur unterstützen; sie trägt maßgeblich zur Effizienzsteigerung des gesamten Betriebs bei. Zudem schafft sie die notwendige Basis für eine erfolgreiche Kundenorientierung – der Schlüssel zur Attraktivitätssteigerung von öffentlichen Verkehrsmitteln. Die folgenden Themenfelder geben einen Überblick über Technologien, die die Digitalisierung im ÖPNV ermöglichen und wie Sie TRONTEQ dabei unterstütz, diese zu implementieren.

ETHERNET

Der Standard für moderne Datennetze

Das Rückgrat der modernen IT bildet die Kommunikation zwischen IT-Anwendungen, d.h. der Datenaustausch. Dieser soll schnell, effizient und standardisiert erfolgen. Außerdem ist eine Vernetzung einer Vielzahl an Teilnehmern aus unterschiedlichen Orten heutzutage eine Selbstverständlichkeit.

Um den Anforderungen solcher komplexen Datennetze zu genügen, hat sich in den letzten Jahrzehnten ein Netzwerkstandard durchgesetzt: IEEE802.3, auch bekannt als Ethernet. Es überzeugt vor allem bei den Punkten Robustheit, Skalierbarkeit, Bandbreite und Grad der Standardisierung. Dabei bedeutet Standardisierung nicht nur Festlegung der Übertragung, sondern auch eine große Auswahl an Steckverbindern, Kabeln und Geräten, die alle untereinander kompatibel sind.

Schichten der Gerätekommunikation

Ein Netzwerk ist eine Verbindung mehrerer Geräte, welche dieselbe Infrastruktur und Ressourcen teilen und über das Netzwerkprotokoll kommunizieren. Die Kommunikation findet in mehreren Schichten statt. Das OSI-Modell (Open Systems Interconnection) veranschaulicht diese Schichtunterteilung und definiert sieben Schichten, auch Layer genannt.

Layer 1 und Layer 2

Der Ethernet-Standard wird durch die ersten zwei Schichten definiert: Layer 1 und Layer 2. Das Layer 1 bestimmt die physikalische Übertragungsschicht (Lichtleiter, Kupferleitung) und wird „Physical Layer“ genannt. Die Signalübertragung findet z. B. über verdrillte Adern-Paare (Twisted Pair bzw. TP) statt. Das Layer 2 stellt die Verbindungsebene dar und wird „Data Link Layer“ genannt.

Um die Datenübertragung weitgehend fehlerfrei zu halten, werden die Daten in Blöcke aufgeteilt. Solche Datenblöcke werden auch (Ethernet) Frames genannt. Dem Layer 2 wird auch die MAC (Media Access Control) zugeordnet; dem Anwender als „MAC-Adresse“ geläufig. Anhand dieser Andresse findet die Adressierung der Netzwerkteilnehmer auf Layer 2 statt. Eine MAC-Adresse ist weltweit einzigartig und wird oft am Gerät angebracht und zur Gerätidentifikation verwendet.

LAYER-2-SWITCHES

Der Ethernet-Switch als Vermittler in der Gerätekommunikation

Ein Layer-2-Ethernet-Switch verbindet die Netzwerkteilnehmer auf Layer 1 und sorgt dafür, dass die Daten auf Layer 2 fehlerfrei übertragen werden. Ein Ethernet-Switch ist also als eine Vermittlungsstelle zu verstehen. Seine primäre Aufgabe besteht darin, Datenframes an einem Port zu empfangen, die Ziel-MAC-Adresse im Frame zu lesen und den Frame an den richtigen Port weiterzuleiten. Dazu speichert der Switch den gesamten Frame intern und leitet ihn erst nach Zielermittlung weiter. Diese Technologie ist auch als „Store and Forward“ bekannt.

Wie Fast Ethernet und Gigabit Switches Daten senden und empfangen

Diese Art der Verarbeitung geschieht in modernen Switches direkt in der Hardware. Die Verarbeitungszeit spielt sich im Nano-Sekundenbereich ab, sodass die resultierende Verzögerung (Latenz) für die meisten Anwendungen in der Regel vernachlässigbar klein ist (µs/ms-Bereich). Als Übertragungsgeschwindigkeiten sind die Datenbitraten von 100Mbit/s (Fast Ethernet) und 1Gbit/s (Gigabit) am häufigsten anzutreffen. Sowohl Fast Ethernet als auch Gigabit Ethernet unterstützen Full-Duplex Übertragung. Das bedeutet, dass das Senden und Empfangen der Daten in beide Richtungen zeitgleich erfolgt. Fast Ethernet verwendet dazu jeweils ein Twisted-Pair für das Senden (TX) und Empfangen (RX) und somit insgesamt vier Leitungsadern. Gigabit Ethernet verwendet vier Twisted-Pairs und somit acht Leitungsadern. Bei Gigabit Ethernet wird jedes Paar bidirektional genutzt.

 

 

 

MANAGED VS. UNMANAGED

Worin unterscheiden sich Managed und Unmanaged Switches?

Grundsätzlich unterscheiden sich die Switches in ihrer Portanzahl und in Unmanaged- oder Managed-Typen. Intelligente Managed Switches sind in der Lage, den Datenfluss zu steuern, Diagnosedaten über den „Gesundheitszustand“ des Netzwerks auszugeben und die Wartung für die Werkstatt zu erleichtern. Sie müssen jedoch konfiguriert werden, damit die erweiterten Funktionen in Zeit- und Kostenersparnisse im Betrieb umgewandelt werden können.

Unmanaged Switches sind dagegen einfache Plug & Play-Geräte, die keinerlei Intelligenz haben und somit auch nicht konfiguriert werden müssen. Sie haben jedoch den Nachteil, dass jegliche Möglichkeiten zu Datenfluss, Diagnose und Netzwerkkonfiguration fehlen.

Switches höherer Schichten als Layer 2 sind streng genommen keine Ethernet-Switches sondern Router. Beispielsweise nimmt ein Layer-3 Switch die Vermittlung anhand der IP-Adresse vor, die Layer 3 zugeordnet ist. Moderne Managed Ethernet Switches bilden eine Mischung aus einem Ethernet-Switch und Router. Ein Managed Switch unterstütz eine Hardware-basierte Layer 2 Vermittlung und bieten einige Protokolle und Services, die über Layer 2 hinausgehen, wie zum Beispiel DHCP, IP Routing, NAT.

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Juri Martinevski

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