Bei der Punkt-zu-Punkt-Topologie besteht ausschließlich zwischen zwei Geräten eine einfache, direkte Verbindung. Beide Geräte können diese Verbindungen für die gegenseitigen Kommunikation nutzen.
Die Industrielle Kommunikation beschreibt die Vernetzung von Maschinen mit Computern und ist die Grundlage für eine smarte, vernetzte Produktion. Solche vernetzten Industriesysteme nennt man auch Smart Factory.
Dabei wird von Sensoren, Aktoren und Steuerungselementen bis hin zu Warenwirtschaftssystemen eine gemeinsame Kommunikation hergestellt, welche Prozesse vereinfachen, abbilden und verbessern kann. Eine solche Kommunikation findet, analog zum OSI-Referenzmodell, nicht nur innerhalb einer Netzwerkebene statt, sondern erfolgt ebenenübergreifend.
Die Kommunikation zwischen den unterschiedlichen Netzwerkteilnehmern einer oder mehrerer Netzwerkebenen muss vereinheitlicht werden, damit sich auch Geräte verschiedener Hersteller untereinander „verstehen“. Es braucht somit eine standardisierte, barrierefreie Sprache – die Lösung: Protokollstandards.
In den einzelnen Schichten des OSI-Referenzmodells kommen sehr viele verschiedene Netzwerkprotokolle zum Einsatz, auf die wir hier nicht genauer eingehen werden.
Zu den wohl bekanntesten Protokollen (die auch die Grundlage des Datenaustauschs über das Internet bilden) zählen:
- TCP: Protokoll zum Datenaustausch zwischen Netzwerkkomponenten
- FTP: Protokoll für den Dateiaustausch im Internet
- HTTPS: Protokoll für die verschlüsselte Übertragung im Internet
- IP, IPv4 und IPv6: Protokolle für die Adressverifizierung im Internet
- SMTP: Protokoll für den E-Mail-Versand
Alles sicher
Die Kommunikation zwischen den unterschiedlichen Geräten des vernetzten Systems erfolgt über das Internet oder über andere, interne LAN-Netze (Local Area Network). Solche Netze bringen sowohl Chancen als auch Herausforderungen mit sich. Die Protokollstandards berücksichtigen dabei die Werte:
- Integrität (die Daten werden während der Übertragung nicht manipuliert)
- Vertraulichkeit (die Daten werden während der Übertragung vertraulich behandelt)
- Nachweisbarkeit (die Identität von Sender und Empfänger ist nachweisbar)
- Medienbruchfreie Verarbeitung (zur Datenübertragung wird nur ein Medium benutzt)
Alles genormt
Das IEC, die International Electrotechnical Commission, hat einen Kommunikationsstandard für die industrielle Automation in einer Norm beschrieben, definiert und standardisiert: IEC 60870 bzw. für Deutschland: DIN EN 60870.
Die Norm umfasst eine ganze Reihe an Spezifikationen, welche in einer Normreihe gegliedert wurden. Die Normreihe umfasst Themen der
- Schaltanlagentechnik,
- Fernwirktechnik,
- Netzleittechnik.
Die Protokollstandards gehören zum Themenbereich der Fernwirktechnik. Somit ist die Normreihe IEC 60870–5 gültig. Die Teile der Norm betrachten dabei verschiedene Teilaspekte:
- IEC 60870–5–1: Übertragungs-Frame-Formate
- IEC 60870–5–2: Übertragungsprozeduren
- IEC 60870–5–3: Struktur der Anwendungsdaten
- IEC 60870–5–4: Definition und Codierung der Informationselemente
- IEC 60870–5–5: Grundlegende Anwendungsfunktionen
Für das Definieren von Protokollstandards sind zusätzlich relevant:
- IEC 60870–5–101: Anwendungsbezogene Norm für Fernwirkaufgaben (serielle Kommunikation)
- IEC 60870–5–102: Grundlegende Funktionen für die Zählwertübertragung
- IEC 60870–5–103: Norm für die Schutzmeldungsübertragung und Störschriebentsorgung (innerhalb einer Schaltanlage)
- IEC 60870–5–104: Anwendungsbezogene Norm für Fernwirkaufgaben in IP-Netzen
Die Spezifikationen der Norm stellen einen universellen Standard auf, geben aber dennoch Spielraum für anwendungsspezifische Applikationen.
Alles geordnet - Topologien
Folglich arbeiten die verschiedenen Sender und Empfänger innerhalb des Kommunikationssystems nach genau definierten Regeln, um den Datenaustausch zu ermöglichen.
Um die verschiedenen Geräte dazu miteinander zu verbinden, benötigt es Switche oder Router, welche eine Verteilfunktion im Netzwerk einnehmen. Sie sorgen dafür, dass alle Teilnehmer des Netzwerks logische Verbindungen eingehen.
Die logischen Verbindungen werden in Netzwerk-Topologien definiert. Diese zeigen, wie die Geräte in einem Netzwerk angeordnet und verbunden werden.
Bei der Punkt-zu-Mehrpunkt-Topologie werden mehrere Geräte durch ein zentrales System gespeist. Jedes Gerät hat im System einen gemeinsamen Verzweigungspunkt in der Kommunikation.
Bei der Linien-Topologie werden mehrere Geräte miteinander verbunden. Es wird eine Leitung von Gerät zu Gerät gelegt. Die Enden der Linie werden jeweils mit einem Gerät abgeschlossen.
Bei der Bus-Topologie sind alle Geräte über eine gemeinsame Leitung verbunden. Jedes Gerät hat Zugriff auf die Signale, die über die Leitung übertragen werden.
Um Störungen auf der Leitung zu verhindern, werden die Kabelenden mit einem Abschlusswiderstand versehen.
Bei der Ring-Topologie handelt es sich um eine geschlossene Kabelstrecke. Alle Geräte sind durch einen Kabelring miteinander verbunden. So kommt an jedem Gerät ein Kabel an und ein Kabel geht ab.
Bei der Stern-Topologie gibt es eine zentrale Netzwerkkomponente. Das ist im Regelfall ein Hub oder Switch, der die Verteilfunktion übernimmt. Jedes Gerät ist über eine Leitung damit verbunden.
Bei der Baum-Topologie handelt es sich um eine erweiterte Stern-Topologie. Es ermöglicht die Umsetzung bei größeren Netzwerken.
Bei der Maschen-Topologie handelt es sich um ein dezentrales Netzwerk. Es gibt keine verbindlichen Strukturen und alle Netzwerkknoten, also alle Geräte, sind miteinander verbunden.
Bei der Geflecht-Typologie handelt es sich um eine zukunftsorientierte Weiterentwicklung der Stern-Typologie. Es gibt keinen zentralen Knoten, sondern die Geräte werden redundant zu einer strukturiert vermaschten Topologie verbunden.