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Interoperabilität-von-Netzwerken als Grundvoraussetzung für Industrie 4.0

Industrie 4.0 – RZ/N unterstützt bei der Lösung der Herausforderungen
Interoperabilität von Netzwerken

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Die Entwicklung zur Verbesserung der Netzwerkkonnektivität, der Maschinenproduktivität und der Sicherheit für vernetzte Geräte in der Fertigung schreitet rasant voran. Sie zwingt Hardwarehersteller, sich den wachsenden Trends des industriellen Internets der Dinge (IIoT; Industrial Internet of Things), besser bekannt als Industrie 4.0, anzupassen. Der Einsatz eines Multi-Protokoll-Prozessors, wie der RZ/N der Renesas Electronics Europe GmbH, unterstützt dabei, die Trends in die Praxis einzuführen.

Garrett Yamasaki, Product Marketing Manager, Industrial Automation, Renesas Electronics America

Inhaltsverzeichnis

1. TSN auf Erfolgskurs
2. Hardware-Security
3. Intelligente Endpunkte

Theoretisch besteht das Hauptziel von Industrie 4.0 darin, Netzwerke zu schaffen, die vollständig interoperabel und vollkommen sicher sind, in Echtzeit kommunizieren, und mit der Cloud verbunden sind. Diese Anforderungen bedingen jedoch einige große technologische Herausforderungen für die Industrie 4.0 in der nahen Zukunft. Wie wird die Industrie 4.0 Interoperabilität, Sicherheit und den wachsenden Trend zu IIoT-Gateways angehen?

Auf der Ebene der Betriebstechnik (OT; Operational Technology) in einer Fertigungsanlage wird die Anzahl der in Echtzeit vernetzten Geräte schnell erweitert, um den Anforderungen eines sich entwickelnden Marktes gerecht zu werden. Industrial-Ethernet-Protokolle wie Ethernet/IP, Ethercat und Profinet bieten die Echtzeitsteuerung und deterministische Latenz für die Automatisierungstechnik in der Industrie 4.0, mit der die Gesamtlatenzzeiten in der Betriebstechnik der Fertigungsanlage verringert werden können. Da jedoch beide Seiten eines Netzwerkes untereinander interoperabel sein müssen, welches Protokoll sollte man dann in einem sich ständig ändernden Markt wählen? Die größte Herausforderung besteht darin, eine heterogene Lösung zu schaffen, die in der Lage ist, mehrere Industrial-Ethernet-Protokolle zu verarbeiten. Der Einsatz eines Multi-Protokoll-Prozessors, wie der Renesas RZ/N, unterstützt hierbei. Dennoch besteht ein klarer Bedarf nach Konvergenz der proprietären Industrial-Ethernet-Protokolle, um die Interoperabilität zwischen den Geräten zu unterstützen.

TSN auf Erfolgskurs

Time Sensitive Networking (TSN) ist eine relativ neue, nach IEEE 802.1Q standardisierte Technologie, die eine neue Dimension an Konnektivität und Optimierung eröffnet. TSN setzt auf standardisiertem Ethernet auf und bietet zusätzlich Funktionen, die Features wie eine einzigartige Zeitsynchronisation und deterministische Netzwerkkommunikation umfassen. Damit können industrielle Automatisierungsanwendungen Zeit- und Steuerungsanforderungen in herkömmlichem Ethernet erfüllen. Da TSN in der Datenverbindungsschicht (Data Link Layer) des OSI-Modells arbeitet, lassen sich alle anderen Industrieprotokolle wie Ethernet/IP, Ethercat und Profinet über TSN in den darüberliegenden Schichten des OSI-Modells implementieren. Die Koexistenz solch unterschiedlicher Protokolle in einem Netzwerk ist ein entscheidender Vorteil von TSN. Letztendlich besteht der Zweck von TSN darin, mehrere Protokolle in ein einziges standardisiertes Netzwerk zu bündeln. Die Zukunft von TSN sieht vielversprechend aus.

Hardware-Security

Eine große Herausforderung in der Industrie 4.0 ist unzureichender Schutz vor Netzwerkangriffen. Aus Sicht der Hardware gibt es drei wesentliche Security-Bedrohungen. Erstens die Bedrohung durch Cyber-Angriffe, die aufgrund der explosionsartigen Zunahme von Netzwerkverbindungen ganze Netzwerksysteme beschädigen können. Zweitens, Denial-of-Service-Angriffe, die eine Unterbrechung der Netzwerkverfügbarkeit verursachen können, was auf unbefugten Zugriff oder Manipulationen durch die Ausweitung auf Cloud-Verbindungen zurückzuführen ist. Drittens: Bedrohungen aufgrund der Lieferkette durch beschädigte oder gefälschte Bauteile, die verschiedene Arten von Malware enthalten können. Die International Electrotechnical Commission (IEC) unterstützt hier mit einer Security-Standardisierung, um Sicherheitslücken für Industrie 4.0 zu beheben und zu mindern. Die Security-Zertifizierungen für Anwendungen in der Industrieautomation fallen unter die Norm IEC62443-4.

Aus Hardwaresicht ist es äußerst wichtig, den Betriebskern zu schützen, nämlich den Mikroprozessor, der in den IIoT-Endpunkt eingebettet ist. Die Hardware-Security, die den Startvorgang der Gerätesoftware schützt, wird als Hardware Root-of-Trust bezeichnet. Es gibt zwei Hauptaspekte der Hardware Root-of-Trust, die einen bestimmten Bereich absichern und ihn mit manipulationssicherer Technologie schützen. Die Schaffung eines abgesicherten Bereichs umfasst eine Krypto-Engine sowie einen hochsicheren Schlüssel, während die manipulationssichere Technologie die Erkennung von Anomalien (Schaltkreisspannung, Strom, Frequenz usw.) und verschiedene Arten von sicherer Schaltkreistechnologie umfasst. Der Vorteil besteht darin, dass die Root-of-Trust das Angriffsrisiko deutlich reduziert und zugleich die Systemintegrität überprüft.

Einige der neuesten Security-Trends für Hardware sind die Implementierung von sicherer Boot-Funktionalität und Funktionen für das Security-Lifecycle-Management. Erstens verhindert der sichere Bootvorgang die unbefugte Programmausführung, indem vorab geprüft wird, ob ein Programm manipuliert wurde oder nicht. Bei der Ausführung eines Programms, das im integrierten Flash-Speicher oder im externen Speicher abgelegt ist, überprüft Secure Boot vor dem eigentlichen Bootvorgang, ob der Code durch vertrauenswürdige Sicherheitszertifikate authentifiziert ist. Dadurch wird verhindert, dass Unbefugte ein anderes Betriebssystem oder einen anderen Bootloader auf den Baustein laden. Zweitens wird durch das Security-Lifecycle-Management ein robustes und leistungsfähiges Sicherheitsmanagement in allen Phasen des Lebenszyklus von industriellen Automatisierungsanwendungen (Design, Fertigung, Betrieb in der Fertigungslinie und Entsorgung) gewährleistet. Ein Beispiel für das Security-Lifecycle-Management ist eine Funktion zur Genehmigung von Debugger-Verbindungen in jeder Phase sowie eine Funktion zum Löschen von Programmen und zum Sperren von Schlüsseln zum Zeitpunkt der Entsorgung. Dies trägt wesentlich zur Vermeidung von Produktfälschungen in allen Phasen des Lebenszyklus bei.

Intelligente Endpunkte

Ein weiterer wachsender Trend in der Industrie 4.0 ist die Schaffung intelligenter Endpunktknoten durch den Einsatz eines Echtzeit-IIoT-Gateways. Diese intelligenten Endpunktknoten verfügen über ein On-Chip-IIoT-Gateway. Mit ihm können Unternehmen ihre Daten von der OT-Schicht bis zur IT-Schicht (Information Technology) aggregieren, um die Daten über Anwendungen wie Cloud-Analytics zu verarbeiten. Ein eingebettetes IoT-Gateway in einem Endpunkt bietet enorme Vorteile. Hierzu zählen der Zugriff auf Echtzeitdaten, Analysen auf dem Chip und in der Cloud, die Schaffung eines abgesicherten Endpunkts und aktive Befehls- und Kontrollmöglichkeiten.

Da Industrieanlagensysteme auf jeder Ebene eines Fertigungsbetriebs unterschiedliche Zeitdomänen haben, sind die am besten geeigneten Mikroprozessoren diejenigen mit einem Anwendungsnetzwerk zur Verbindung der IT-Ebene und einem Echtzeitnetzwerk für den Zugriff auf die OT-Ebene. Ein Applikationskern ermöglicht die Anbindung an die Cloud über neuere Protokolle wie OPC UA oder MQTT. Gleichzeitig gewährleistet ein Echtzeit-Netzwerkkern die Verarbeitung von deterministischen Industrial-Ethernet-Protokollen. Ein Beispiel für einen solchen Mikroprozessor mit beiden Fähigkeiten ist der Renesas RZ/N.

Industrie 4.0 bedingt viele verschiedene technische Herausforderungen, da die Anwendungen der Industrieautomatisierung immer stärker vernetzt werden und Echtzeitdaten erfordern. Die wichtigsten Herausforderungen sind der Aufbau von interoperablen, industriellen Netzwerken wie TSN, die Erhöhung der Hardware-Security zum Schutz vor Netzwerkangriffen und der Aufbau von intelligenteren Endpunkten, die als IIoT-Gateway fungieren können. ge

Weitere Details zum Prozessor:
http://hier.pro/y3tMR

Messe Embedded World 2020: Halle 1, Stand 310

Renesas Electronics Europe GmbH
Arcadiastrasse 10
40472 Düsseldorf Germany
Tel.: +49 211 6503 0
Website: www.renesas.com/eu/en/

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