Industrial Ethernet in der Automatisierungstechnik

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1 Industrial Ethernet in der Automatisierungstechnik Planung und Einsatz von Ethernet-LAN-Techniken im Umfeld von SIMATIC-Produkten von Mark Metter und Rainer Bucher 2., überarbeitete und erweiterte Auflage, 2007 Publicis Corporate Publishing

2 1 Grundlagen zu Netzwerken 1.1 Das OSI-Referenzmodell in sieben Schichten Schicht 1 - Die Bitübertragungsschicht Schicht 2 - Die Verbindungssicherungsschicht Schicht 3 - Die Vermittlungsschicht Schicht 4 - Die Transportschicht Schicht 5 - Die Kommunikationssteuerungsschicht Schicht 6 - Die Darstellungsschicht Schicht 7 - Die Anwendungsschicht Der Datenaustausch im OSI-Referenzmodell Verpacken von Daten - Datenkapselung Entwicklung des DoD-Standards DoD-Architektur Netzwerktopologien Netzwerkklassifizierung 24 2 Ethernet-Technologie 2.1 Was ist Ethernet? Die Historie von Ethernet Paketaufbau im Ethernet MAC-Adresse - Die Hardwareadresse von Ethernetgeräten Grundsätzliche Zugriffsstruktur von Ethernet Ethernet oder shared Ethernet CSMA/CD Kollisionsdomäne Stern statt Linie - Hubs als Sternpunkte Fast Ethernet und switched Ethernet Switche als intelligente Sternverteiler Die Betriebsarten Füll und Half Duplex im geswitchten Ethernet Funktionen für Ethernet Autonegotiation - das Konfigurationsprotokoll im Fast Ethernet Autosensing - Automatische Erkennung der Datenrate MDI/MDI-XAutocrossover Gigabit-Ethernet Gigabit-Ethernet PoE (Power over Ethernet) VLANs - virtuelle Netzwerke 43 8

3 2.13 Ethernet in der Fertigungs- und Prozessautomatisierung Industrial Ethernet Die Vorzüge von Industrial Ethernet Industrial Ethernet - die Kerndaten 52 3 Die TCP/IP-Protokollfamilie 3.1 IP (Vermittlungsschicht) Das IP-Paketformat Format von IP-Adressen Klassen von IP-Adressen Besondere IP-Adressen IP-Adressen vergeben IP-Routing IPv6 - Das Nachfolgeprotokoll für IPv Subnetzmasken Weitere Protokolle der Vermittlungsschicht ARP RARP ICMP Bootstrap Protocol BOOTP TCP (Transportschicht) Zugriff auf die TCP-Funktionen TCP-Paketaufbau Ablauf einer TCP-Verbindung Sicherungsmechanismen bei TCP UDP - Weiteres Protokoll der Transportschicht UDP-Header TCP/IP - Das Zusammenspiel 80 4 Netzwerkkomponenten und Übertragungsmedien für Ethernet 4.1 Passive Netzwerkkomponenten Elektrische Signalübertragung Koaxialkabel Thicknet - 10Base Cheapernet - 10Base Twisted-Pair-Kabel - 10/100BaseTX looobase-tx Übertragungsmedien und Anschlusstechnik für die industrielle Verwendung für 10/100 Mbit/s bei Industrial Ethernet Industrial-Twisted-Pair-Standardleitung Technische Ausführung - FastConnect IE-TP-Cords Systemkonfigurationen in elektrischen Netzen mit Outlets Optische Signalübertragung 102 9

4 4.4 Ethernet über Glasfaserkabel (10/100 Base-FX) looobase-sx und looobase-lx Lichtwellenleiter - Designed for Industry Anschlusstechnik für Lichtwellenleiter Übertragungsmedien für Profinet Aktive Netzwerkkomponenten NICs - Netzwerkkarten für Programmiergeräte und PCs PC-Kommunikationsprozessoren CP - Kommunikationsprozessoren für Steuerungen in der S7-Welt Softnet/Hardnet S Automatisierungsgeräte mit integrierter Ethernet-Schnitstelle Repeater Hub Hubs für die Automatisierungstechnik - OLM und ELM Bridge Switch Switches für den industriellen Einsatz: Scalance X Scalance X-100 unmanaged Medienkonverter Die Vorgänger von Scalance X-OSM, ESM, ELS sowie OMC Router Gateways - Netzübergänge IWLAN/PB-Link PN Higher Level Switching Firewall Wireless LAN - WLAN 5.1 WLAN-Standards: IEEE IEEE a IEEE h IEEE b IEEE g Weitere IEEE 802.llx-Standards Wi-Fi Grundlagen WLAN Funktechnologie Modulationsverfahren Frequence Hopping Spread Spectrum (FHSS) Frequenzbänder Zugriffgriffsverfahren CSMA/CA WLAN-Topologien Sicherheit bei WLAN Wired Equivalent Privacy (WEP) WEPplus Extensible Authentication Protocol (EAP)

5 5.3.4 Wi-Fi Protected Access (WPA) IEEE802.11i(WPA2) Simatic-Komponenten für Wireless-Lösungen: Scalance W Die Komponenten von Scalance W Scalance W788-1PRO Scalance W788-2PRO Scalance W744-1PRO ipcf bei Scalance W CP IWLAN/PB-Link PN Zubehör der WLAN-Geräte Scalance W konfigurieren und parametrieren Simatic Network Manager Engineering (Sinema E) Projektierung von industriellen Ethernet-Netzwerken 6.1 Netztopologien für Industrial Ethernet-Netzwerke Stern Linie Ring Baum Switched LAN und shared LAN Komponenten für shared LAN Dimensionierung der Netzstrecken Gesamtausdehnung des shared LAN (Kollisionsdomäne) Dimensionierungsregeln Beispielrechnung einer shared-lan-netzkonfiguration Netzstrukturen bei shared LANs Komponenten für switched LAN Switched LAN mit OSM und ESM ELS-Strukturen Scalance X - aktuelle Geräte für switched LANs Scalance X Scalance X Scalance X100 Medienkonverter Scalance X Scalance X200IRT Scalance X Aufbaurichtlinien zum Optimieren von Ethernet-Netzwerken Elektromagnetische Verträglichkeit Installationshinweise für elektrische und optische Datenkabel Allgemeine Regeln für den Aufbau von Ethernet-Netzwerken Übersicht der grundlegenden Normen und Richtlinien zur Ethernet- und Profinet-Vernetzung

6 7 WAN- und Internet-Technologien 7.1 Zugangswege zu WAN-Netzen Analoges Modem ISDN DSL ADSL2 undadsl VDSL GSM UMTS Kabelmodems Point to Point Protocol (PPP) Der Internetzugang Die Industrieanlage im Internet Das Internet Interaktivität im Internet Voraussetzungen für eine Internetanbindung von Simatic-Systemen Prozessmeldungen via und SMS Subnetze in der Simatic 8.1 Kommunikationsarten im Simatic-Umfeld Verbindungen S7-Kommunikation S5-kompatible Kommunikation HTML-Kommunikation FTP-Kommunikation PG/OP-Kommunikation Profinet 10 und Profinet CBA Offene Baustein-Kommunikation Datenaustausch zwischen zwei Simatic-Stationen mit SEND/RECEIVE Die Ethernet-CPs mit Step 7 in Betrieb nehmen Stellvertreterobjekte im Step-7-Projekt Die Konfiguration in das Zielsystem laden SEND/RECEIVE-Schnittstelle programmieren Programmablauf in Step Andere mögliche Kommunikationsarten Quick-Start-CD Fernprogrammierung über Industrial Ethernet Dateiverwaltung und Dateizugriff mittels FTP FTP im Produktionsumfeld Kommunikation einer SPS über FTP Programmschnittstelle für FTP in der Simatic

7 9 Ethernet Security 9.1 IT-Security-Grundwerte IT-Grundschutzkataloge des BSI Sicherheitsrisiken und Arten von Angriffen Computerviren Trojanische Pferde Lauschangriffe IP Spoofing DNS Spoofing ICMP-Angriffe Routing-Angriffe Denial of Service-Angriffe Hopping Firewall-Funktion Paketfilter Stateful Packet Inspection Application Level Gateways NAT - Network Address Translation/NAPT VPN - Virtual Private Network IPsec-Protokoll Sicherungsarten von IPSec Schlüsselverwaltung mit Internet Key Exchange (IKE) Grenzen von IPSec IT Security Konzept mit Scalance S Simatic Net Scalance S602, S612 und S Simatic Net Softnet-Security-Client Beispielkonfigurationen Scalance S als Firewall betreiben VPN-Tunnel mit Scalance S Diagnose und Fehlersuche 10.1 Zehn Regeln zur Fehlersuche Grundwissen über den Normalzustand Netzwerk-Dokumentation Baselining Infrastruktur-Probleme Diagnose im switched LAN Netzwerk Konfigurationsprobleme Systematische Fehlersuche bei TCP/IP Diagnosemöglichkeiten mit dem Betriebssystem Software Analyzer Netzwerkmanagement SNMP RMON

8 10.5 Diagnosemöglichkeiten mit Simatic Diagnosemöglichkeiten mit Simatic Step Schnellansicht in Step Step 7 - Baugruppenzustand Step 7 - Hardware diagnostizieren NCM - Industrial-Ethernet-Diagnose Diagnosemöglichkeiten an der SPS-Baugruppe Optische Anzeigen der Simatic-Net-CP Störungen bei CP-Betriebsarten Profinet - Industrielle Kommunikation auf Basis von Industrial Ethernet 11.1 Ethernet wandert von der Zellebene in die Feldebene Anforderungen an ein echtzeitfähiges Ethernet Das Profinet Konzept Real Time-Kommunikation Real Time-Kommunikation Isochrone Real Time-Kommunikation Profinet IO Profinet CBA Feldbusintegration Sicherheit Motion Control mit Profinet Safety auf Profinet Netzkomponenten für Profinet 380 Literaturverzeichnis 381 Stichwortverzeichnis