Ergebnisse des Arbeitskreises Industrie Infrastuktur

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1 Ergebnisse des Arbeitskreises Industrie Infrastuktur Arbeitsgruppe Anlagennetze

2 Übersicht Logisches Design Gültigkeitsbereich Einsatzbereiche von Layer-3- und Layer-2-Switching Beschreibung der Netzebenen Redundantes Netzdesign Layer-3-Struktur, Routing, IP-Adresskonzept VLAN-Design Physikalisches Design Netzstruktur in den übergeordneten Ebenen Core und Distribution Topologievarianten im Access-Bereich Anbindung von Anlagennetzen Planungsbeispiel

3 Gültigkeitsbereich Zentrale Systeme im Intranet / Werksnetz Steuerungsebene Informationsebene Bediensysteme Leitrechner Steuerungen Antriebe / E/A-Geräte / Regelungen Feldebene Ethernet mit TCP/IP Feldbus Sensorik / Aktorik

4 SIEMENS SIMA TI C ET 200M SI EME NS SI MATIC ET 200M Zieltopologie Warten- Systeme Archivierungs- Systeme Werksnetz / Intranet / Büronetz Router/ Firewall Schreib-/ Lesegeräte Bedienrechner Bedientableau Anlagennetz Ethernet TCP / IP Feldbus Roboter- Steuerung Antriebe Überwachungssysteme Anlagen- Steuerung E/A-Geräte Sicherheits- Steuerung Sensoren Sensoren/ Aktoren E/A-Geräte

5 Layer-2- vs. Layer-3-Switching Layer-2-Switching Layer-3- Switching Protokoll Spanning Tree Konvergenzzeit Sekunden Rapid Spanning Tree Optimal: ms Default: 0,3-1 Sek. OSPF 2 3 Sekunden Lastverteilung nein ja Stabilität große Netze: schlecht kleine bis mittlere Netze: mittel sehr kleine Netze: (hoch) hoch Fazit: Layer-2-Switching dort wo Layer-3-Switching nicht wirtschaftlich oder nicht möglich ist, ansonsten Layer-3-Switching

6 Netzebenen Core R Core-Switch R Core-Switch R R R R Distr ibution- Switc h Dis tribution- Switch Distribution- Switch Distribution- Switch Distribution Access Access-Switch Büro Gebäude Access-Switch Access-Switch Halle / Gebäude Bei Hallen/Gebäuden über 250 Ports oder 5 Switches Produktion Access-Switch Halle Bei Hallen/Gebäuden bis 250 Ports oder 5 Switches Access-Switch Halle HalleGebäude mit nur einem Access-Switch

7 SIE MEN S SIMA TI ET C 20M SIE MEN S SIMA TIC ET 20M Beispiel für die Access-Ebene Core / Distribution R Layer 3-Switch R Layer 3-Switch Access Porduktion Access- Switch Access-Switch Access-Switch Access-Switch Access-Switch Freistehende PCs Bedienrechner Anlagen- Steuerung Roboter- Steuerung E/A-Gerät E/A-Gerät Meisterbüros Produktionskette 1 Produktionskette 2 Roboter- Steuerung

8 ID C ID C SIE MENS SIMA TICET 20 0M ID C SIE MEN S ID C ID C Redundanzmechanismen Core: Routing-Protokoll auf Schicht 3 Distribution: Routing-Protokoll auf Schicht 3, Spanning Tree Endgeräte: redundanter default Router (z.b. über VRRP) Core / Distribution R Layer 3-Switch L3-Verbindung R Layer 3- Switc h Access Produktion Acce ss-switch Acce ss-swit ch Acce ss-swit ch Roboter- Steuerung E/A-Gerät Roboter- St euerung SIMA TIC 20 0M ET E/A-Gerät Produktionskette 1

9 Layer-3-Struktur Distribution R Distr ibution-switc h Layer-3-Pfad R Dis tribution-switc h R Konzentra to r-swi tch Layer-3-Pfad R Konzentra tor-switch Access IP- Subnetz Gebäude (ein Access- Switch) IP-Subnetz IP-Subnetz Halle IP-Subnetz Halle IP-Subnetz Halle Routing-Protokoll (Core, Distribution): Open Shortest Path First (OSPF) Class-C-Subnetze Einheitliche Adresstabelle in allen Subnetzen

10 ID C ID C I DC S SIMA TIC 20 0M VLAN = IP-Subnetz Core / Distribution R Layer 3-Swit ch L3-Verbindung IP-Subnetz R Layer 3- Switc h Access Produktion Acce ss-switch Acce ss-swit ch Acce ss-switch SI ME EN S SIMA TI ETC SIE ME N E/A-Gerät ET 20M E/A-Gerät Roboter- Steuerung Roboter- Steuerung Produktionskette 1

11 Physikalisches Design Core/Distribution-Bereich Zugriffsverfahren: Gigabit Ethernet Topologie: Doppelstern Core Core Distribution Distribution Distribution Distribution Distribution Distribution Subnetz A1 Subnetz B1 Subnetz C1 Subnetz A2 Halle A Subnetz B2 Halle B Subnetz C2 Halle C

12 Access-Bereich: Bus zu Distribution-Switches Access Access Access Access Subnetz A1

13 Access-Bereich: Ring zu Distribution-Switches Access Access Access Access Subnetz A1

14 Access-Bereich: Stern zu Distribution-Switches Access Access Access Access Subnetz A1

15 Access-Bereich: Baum zu Distribution-Switches Access Concentrator Access Access Access Access Subnetz A1

16 Access-Bereich: Redundanter Stern (Doppelstern) zu Distribution-Switches Access Access Access Access Subnetz A1

17 Access-Bereich: Redundanter Baum zu Distribution-Switches Access Concentrator Access Concentrator Access Access Access Access Subnetz A1

18 Anbindung von Anlagen-Netzen: Hauptvarianten Anbindung an Access-Layer Einfach oder Redundant Topologie des Anlagennetzes ist unbeeinflusst von der Anbindung Erweiterung der Hierarchie um eine 4. Ebene Anbindung an Distribution-Layer Anbindung an Core-Layer

19 Anbindung Anlagen-Netze: Über Gateway Gateway bildet Single- Point-of-Failure

20 Anbindung Anlagen-Netze: Einfache Anbindung an den Access-Bereich Access-Switch des übergeordneten Netzes und des Anlagennetzes bilden Single-Point-of- Failure Vermeidung von Spanning-Tree-Protokoll Einfache Netzwerk- Konfiguration Anlagennetz auch in Ringtopologie möglich

21 Anbindung Anlagen-Netze: Redundante Anbindung an den Access-Bereich (Variante A) Access-Switch des Anlagen-Netzes bildet Single-Point-of-Failure Hopanzahl der L2- Switches begrenzt Einsatz von Spanning- Tree-Protokoll

22 Anbindung Anlagen-Netze: Redundante Anbindung an den Access-Bereich (Variante B) Kein Single-Point-of- Failure mehr Ringtopologie im Anlagenbereich notwendig Höher Anzahl von Hops (abhängig von der Ringgröße des Anlagennetzes) Einsatz von Spanning- Tree-Protokoll Proprietäre Ringverschaltung möglich

23 Anbindung Anlagen-Netze: Redundante Anbindung an den Distribution-Bereich (Variante A) Kein Single-Point-of- Failure mehr Höher Anzahl von Hops (abhängig von der Ringgröße des Anlagennetzes) Einsatz von Spanning- Tree-Protokoll

24 Anbindung Anlagen-Netze: Redundante Anbindung an den Distribution-Bereich (Variante B) Kein Single-Point-of- Failure mehr Jeder Anlagen-Switch wird an zwei Distribution-Switches angeschlossen Einsatz von Spanning- Tree-Protokoll HSRP und VRRP zur Routerredundanz möglich Schnellere Umschaltzeiten Komplexeres Netz

25 Anbindung Anlagen-Netze: Redundante Anbindung an den Core-Bereich Anlagennetz mit eigenem Distribution-Bereich Alle Vorteile des L3- Switching können im Anlagen-Bereich genutzt werden Umfangreiche Funktionsvielfalt Höchste Komplexität im Anlagennetz

26 Alle Anlagen bilden zusammen komplett eigenes Netz

27 Planungsbeispiel Ziel: Anbindung der Anlagennetze innerhalb einer Halle an ein übergeordnetes Netz Rahmenbedingungen Mehrere Anlagennetze obliegen ausschließlich der Verantwortung der Anlagenbauer/betreiber Inklusive Aufbau und Betrieb des Datennetzes Anbindung an das übergeordnete Werksnetz gewünscht Sicherstellung der Trennung beider Netze sowohl physikalisch als auch logisch

28 Verkabelungstopologie Zum übergeordneten Verteiler Anlage 10 Anlagenverteiler Maschinenanschluss Anlage 2 Anlage 4 Anlage 3 Maschinenverteiler Anlage 5 Zum übergeordneten Verteiler Anlage 1 Anlage 7 Anlage 6 Anlage 9 Anlage 8

29 ID C Anlagennetz (aktive Komponenten) Access-Konzentrator-Switch Anlage 2 L2-Netz Zweistufig Acces-Switch Anlagen-PC Anlage 1 Anlage 3 Anlage 4 Anlage 5 Konzentrator- Switch im Anlagenverteiler Keine Redundanz gefordert Anlage 7 Anlage 10 Anlage 6 Anlage 9 Anlage 8

30 Übergeordnetes Netz Variante 1 zur Anbindung der L2-Netze an das Werksnetz Redundant ausgelegte L3-Instanz Access-Konzentrator-Switch WLAN-Access-Switch L3-Instanz kann auch außerhalb der Halle sein Anlage 1 Access Point WLAN-Gerät Hallenübergreifendes WLAN-Netz Anlage x Anlage y Anlage 2 Anlage z

31 Variante 1: Eigenschaften Organisatorische Schnittstelle für Verantwortlichkeiten ist der Anlagenverteiler (LWL-Schnittstelle nach IEEE 802.3z) Komponententechnik und Strukturierung ist zwingend mit dem übergeordneten Netz abzustimmen Alle zentralen Netzdienste werden aus dem übergeordneten Netz bezogen Die Firewall zum übergeordneten Betriebsnetz liegt nicht im Zuständigkeitsbereich des Anlagenbetreibers Keine eigene Netzwerkmanagementstation zur Überwachung der Anlagennetze

32 Variante 2 zur Anbindung der L2-Netze an das Werksnetz Übergeordnetes Netz Redundant ausgelegte L2-Instanz L2-Instanz kann auch außerhalb der Halle sein Access-Konzentrator-Switch Anlage 1 Anlage 3 Anlage x Anlage y Anlage 2 Anlage z

33 Variante 2: Eigenschaften Organisatorische Schnittstelle für Verantwortlichkeiten ist der Gebäudeverteiler (LWL-Schnittstelle nach IEEE 802.3z) Komponententechnik und Strukturierung unabhängig vom übergeordneten Netz (weitere Unterstrukturierung im Bereich des Maschinenverteilers möglich) Anlagenzentrale Netzdienste (DNS, DHCP,...) können unabhängig vom übergeordneten Netz im Anlagennetz passend zu eigenen Anforderungen realisiert werden Die Firewall liegt im Zuständigkeitsbereich des Anlagenbetreibers