M2M erfordert neue Netzwerkkonzepte

Elektroautomation

Ethernet - Das Internet der Dinge, die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation und Industrie 4.0 verändern Industriebetriebe nachhaltig. Vorraussetzung dafür sind neue Netzwerkkonzepte und Hardware, die speziell für herausfordernde Bedingungen in der Produktion entwickelt wurden.

26. Mai 2015

Plaudernde Maschinen, die vollautomatisierte Produktion und neue Arbeitsstrukturen – die Erwartungen an die neue Technik sind riesig und bedeuten nicht weniger als eine fundamentale industrielle Revolution. »Industriebetriebe ans Netz«, lautet die allgegenwärtige Forderung und wird lautstark in Politik und Gesellschaft diskutiert. Damit das Internet der Dinge, die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) und Industrie 4.0 nicht nur reine Modewörter bleiben, sind neue Netzwerkkonzepte erforderlich. Dies gelingt jedoch nicht von heute auf morgen, sondern geht mit einer Vielzahl neuer Herausforderungen einher.

Zentrale Voraussetzung für M2M ist die Entwicklung einer neuen Kommunikationsinfrastruktur. Diese besitzt bereits heute eine Schlüsselrolle im gesamten Produktionsprozess. Industrie- und Logistikunternehmen sind künftig daher auf eine »Always-on«-Umgebung angewiesen. Vibrationen, Staub und andere Faktoren in Maschinenräumen und Produktionshallen stellen für Netzwerkkomponenten eine besonders anspruchsvolle Umgebung dar. Netzwerke im Industrieumfeld benötigen daher robuste und zuverlässige Hardware.

Die M2M-Kommunikation ist deshalb auf hochverfügbare Kommunikationsnetzwerke angewiesen. Dazu sind zuverlässige LAN- und WLAN-Netze erforderlich, ebenso wie eigenständige Adressen für jedes am Netzwerk angebundene Gerät. Mindestens genauso wichtig ist die IT-Sicherheit. Sie muss in der Lage sein, Unternehmensdaten auf sämtlichen Ebenen zu schützen. Gerätefehler, menschliches Versagen oder unvorhersehbare Ereignisse können zum Ausfall eines Netzwerks führen. Alle mit dem Ethernet verbundenen Geräte stellen deshalb ein permanentes Risiko für ein Netzwerk dar. Ein Ausfall führt unter Umständen sogar zu einem Produktionsstopp. Netzwerke sind nicht fähig, sich selbstständig vor solchen Problemen zu schützen. Die M2M-Kommunikation macht daher besondere Schutzmaßnahmen erforderlich, wodurch fehlerhafte Hardware sowie Verknüpfungsprobleme erkannt und behoben werden. Für hochverfügbare LAN-Netzwerke mit Stern-Topologie eigenen sich virtuelle Stacking-Technologien wie VCStack. Dieser Ansatz erlaubt es auf »Standby«-Geräte zu verzichten und dadurch die zur Verfügung stehenden Ressourcen optimal zu nutzen. Für Netzwerke in Ring-Topologie bieten sich Ring-Protection-Lösungen wie EPSR an. Im Fehlerfall ist EPSRing in der Lage, in weniger als 50 Millisekunden einen Netzwerkfehler zu erkennen und auf einen alternativen Datenpfad umzuschalten.

Nachteil der Funktechnologie

WLAN-Netze erlauben es, besonders schnell und einfach neue Maschinen einem bestehenden Netzwerk hinzuzufügen – eine Verkabelungsinfrastruktur ist nicht nötig. Ein Nachteil der Funktechnologie sind Interferenzen. Sie treten in Bereichen auf, die über zwei sich überschneidende Zugangspunkte verfügen, die auf einem Kanal arbeiten. In dynamischen Umgebungen wie Fabrikhallen oder Warenlagern sowie beim Einsatz von Automated-Guided-Vehicles (AGV) kommt es so immer wieder zu Problemen. Solche Störungen lassen sich jedoch durch ein sorgsames Zuweisen der vorhandenen Kanäle vermeiden. Einen alternativen Ansatz bieten Ultra-Thin-Access-Points, wie sie beispielsweise in der Extricom-Serie von Allied Telesis integriert sind.

Zentrale Anlaufstelle

Ultra-Thin-Access-Points funktionieren quasi als eine zentrale Anlaufstelle mit vielen Antennen. Diese sind über die gesamte Fläche, etwa in einer Fertigungshalle, verteilt. Dadurch entfällt eine Planung der Kanäle, da dem Client alle WLAN-Geräte auf dem gleichen Kanal (blanket) als ein Zugangspunkt mit breiter Abdeckung erscheinen. Dieser Ansatz umgeht damit das Problem störender Interferenzen und ermöglicht so einen nahtlosen Übergang zwischen verschiedenen Funkbereichen bei hohem Datendurchsatz und gleichzeitig hoher Verfügbarkeit über alle WLAN-Verbindungen. M2M und das Internet der Dinge sorgen dafür, dass die Zahl der Endgeräte, die mit einem Unternehmensnetzwerk verbunden sind, stark ansteigt. Egal ob Maschine, Sensor oder Steuerungselement, jedes vernetzte Gerät muss eindeutig identifizierbar sein. Das macht eine spezielle Kennung für alle Arten von Hardware erforderlich. Der Informationsaustausch zwischen Maschinen in einer Produktionsumgebung findet über unterschiedliche Protokolle und physische Medien statt.

Neuer Standard: IPv6

Um Konvergenz zu vermeiden, erfordert Industrie 4.0 daher die Implementierung eines einzigen IP-Protokolls. Dies lässt sich erreichen, indem die verschiedenen Protokolle auf den IP-Standard umgestellt und eine einzige auf Ethernet basierende Netzwerkinfrastruktur etabliert wird. Aktuell ist in Betrieben vor allem der IPv4-Standard im Einsatz. Dieser ist begrenzt und bei Weitem nicht in der Lage, den künftigen Bedarf an Adressen vollständig zu decken. IPv6 wird sich daher als neuer Standard durchsetzen. Denn bei IPv6 steht praktisch unbegrenzter Adressraum zur Verfügung. Für Unternehmen hat dies weitreichende Folgen: Der neue Standard benötigt ein Netzwerk, das IPv6 bei jedem Gerät unterstützt. Außerdem wird der Austausch aller Hardwarekomponenten erforderlich, die nicht »IPv6-ready« sind.

Angriffspunkt WLAN-Netz

Drahtlose Netze stellen ein besonders großes Risiko für die Datensicherheit in Unternehmen dar. Der Trend zum privaten mobilen Endgerät am Arbeitsplatz (BYOD) verstärkt die Gefahr. Ungesicherte Tablets oder Smartphones sind in der Lage, sich mit dem Netzwerk zu verbinden und sind so der Kontrolle durch die Unternehmens-IT entzogen. Nur authentifizierte Geräte dürfen deshalb Zugang zum Unternehmensnetz erhalten. Der gegenwärtige Standard zur Authentifizierung IEEE 802.1X wird aktuell jedoch noch nicht von allen Geräten unterstützt. Sicherheit bieten Netze daher nur, wenn sie neben 802.1X auch andere Authentifizierungsmöglichkeiten anbieten, zum Beispiel über MAC-Adressen oder EAP.

Industrie 4.0 hat weitreichende Folgen für Fertigung, Logistik und den gesamten Produktlebenszyklus. Wenn Unternehmen rechtzeitig damit beginnen, ihre Netzwerke auf M2M vorzubereiten, neue Standards wie IPv6 implementieren und eine Always-on-Umgebung etablieren, sind sie gut gerüstet und können entspannt der nächsten industriellen Revolution entgegensehen.

Erschienen in Ausgabe: 04/2015