DNP3 (Distributed Network Protocol) i IEC 61850

Bezpieczeństwo i szyfrowanie DNP3

Protokół DNP3 jest wyjątkowo wydajny w zakresie transmisji danych z jednego końca do drugiego. Inną kwestią jest zabezpieczenie tych danych. Cyberbezpieczeństwo wymaga podejmowania szeregu środków organizacyjnych, architektonicznych i technicznych. Wykorzystanie protokołu DNP3 w systemie wymusza lepsze zabezpieczenie danych we wszystkich punktach ścieżki transmisji. Co więcej, system wymaga zabezpieczenia przed nieuprawnionymi dostępami. W tym celu aplikacje bazujące na protokole DNP3 często wykorzystują połączenie szyfrowania TLS i bezpieczne procedury uwierzytelniające, które zdefiniowano poniżej:

• Szyfrowanie TLS
  Szyfrowanie TLS zabezpiecza systemy połączone za pomocą kanałów TCP/IP przez takie szyfrowanie danych, że tylko wewnętrzny system może je odczytać. Szyfrowanie TLS jest dobrze zdefiniowane przez standard DNP3 i powiązany standard IEC 62351 Part 3, dlatego jest ono powszechnie stosowane jako podstawowy środek bezpieczeństwa w ramach ochrony przed niezamierzonym ujawnieniem informacji, nieautoryzowanym dostępem i manipulowaniem wiadomościami.

• Bezpieczne uwierzytelnianie
  Ten opcjonalny mechanizm wymaga uwierzytelniania, gdy ze strony urządzenia master lub stacji zdalnej generowane są określone żądania. Funkcje zabezpieczone uwierzytelnianiem obejmują często krytyczne funkcje, które wpływają na operacyjność systemu, na przykład ustawianie eksportu poleceń, odczytywanie wiadomości potwierdzających itp. Uwierzytelnianie jest dwukierunkowe i działa na zasadzie reakcji na wezwania, czyli w momencie żądania funkcji komputer master zostaje wezwany do przesłania odpowiedniej odpowiedzi na wiadomość ze stacji zdalnej na podstawie wcześniej udostępnionego klucza. Zapobiega to nieupoważnionym lub niezamierzonym operacjom. Chociaż uwierzytelnianie nie szyfruje danych ani nie gwarantuje poufności, zapewnia dodatkową warstwę bezpieczeństwa i ochronę przed potencjalnie szkodliwymi funkcjami lub modyfikacjami systemu.

W idealnym przypadku systemy DNP3 wykorzystują połączenie tych środków, aby zapewnić zarówno poufność i bezpieczeństwo na poziomie urządzenia master i slave (stacji zdalnej).

DNP3 kontra IEC 61850

DNP3 jest najczęściej stosowanym standardem w amerykańskim sektorze energetycznym, w zakładach elektrycznych, wodociągowych i kanalizacyjnych. Istnieje jednak jeszcze jeden standard, który szybko zyskuje globalną popularność – europejski standard IEC 61850 cieszy się coraz większym uznaniem jako przyszłość protokołów komunikacji lokalnej. Wiele firm, korzystających obecnie ze standardu DNP3, postanawia dostosować funkcjonalność krzyżową pod kątem obu protokołów DNP3 i IEC 61850. Ważne jest jednak zrozumienie każdego protokołu i ich wzajemne porównanie.

Na najbardziej podstawowym poziomie, DNP3 koncentruje się na przesyłaniu prostych danych w bezpieczny i nieobciążający sposób na potrzeby komunikacji zdalnej. Z kolei IEC 61850 skupia się głównie na komunikacji między zasobami, takimi jak sprzęt zabezpieczający, IED lub lokalne systemy HMI/SCADA, wewnątrz lokalnego obiektu. Kolejną zasadniczą różnicą między DNP3 i IEC 61850 jest fakt, że standard działania IEC koncentruje się na kontekście danych. Podczas gdy DNP3 koncentruje się na danych i w dużej mierze przekazuje kontekstualizację do rąk inżynierów, IEC 61850 integruje kontekst z systemem przez mapowanie danych do węzłów logicznych o predefiniowanych, kontekstowych nazwach. Dzięki takiemu rozwiązaniu kontekst nigdy nie jest tracony w gąszczu kompilowanych danych.

Przyjmując standardy IEC 61850, przedsiębiorstwa energetyczne mogą cieszyć się następującymi zaletami:

• Krótsze czasy konfiguracji
  Protokoły IEC 61850 skracają czas potrzebny na konfigurację nowych systemów automatyki podstacji. Dzięki dostępności dobrze zdefiniowanego modelu danych dla zasobów podstacji, narzędzia System Configuration Tools (SCT) mogą być wykorzystywane do szybkiego zaprojektowania podstacji. Na tej podstawie możliwe jest generowanie konfiguracji powiązanych systemów, takich jak urządzenia zabezpieczające lub systemy HMI. zenon może bezpośrednio wykorzystywać te dane do automatycznego generowania aplikacji HMI. Skraca to czas konfiguracji nawet o 90%.

• Lepsza standaryzacja i organizacja
  Organizując projekty z wykorzystaniem  orientacji obiektowej, standard IEC 61850 umożliwia projektantom opracowywanie standardowych konfiguracji dla różnych elementów w systemie energetycznym. To oznacza, że możliwe jest dodawanie lub usuwanie pojedynczych bloków konstrukcyjnych bez konieczności ponownego opracowywania całego systemu od zera.

• Mniej nakładów na fizyczną konfigurację
  Jeżeli zajdzie konieczność wprowadzenia zmian, IEC 61850 umożliwia ich łatwe wdrażanie poprzez zmiany oprogramowania zamiast fizycznego modyfikowania konfiguracji. Dzięki temu inżynierowie mogą w prosty sposób wprowadzać zmiany lub przywracać poprzednie konfiguracji bez potrzeby kosztownych zmian sprzętu.

• Lepsza wirtualizacja
  Protokoły IEC 61850 umożliwiają opracowywanie i testowanie modelu podstacji w wirtualnej konfiguracji przed ich wdrożeniem. Pozwala to na tworzenie silniejszych początkowych projektów, wymagających mniej modyfikacji w czasie.

Patrząc na powyższe korzyści, trudno się dziwić, że IEC 61850 staje się coraz bardziej popularny. Należy jednak pamiętać, że wdrożenie IEC 61850 nie oznacza rezygnacji ze stosowania DNP3. Semantykę IEC 61850 można wykorzystać w protokołach DNP3 także w systemach, w których sam IEC 61850 nie jest stosowany. Taka adaptacja może być pierwszym krokiem przy planowaniu integracji protokołu IEC 61850 w przyszłości.

Sterownika master DNP3 w oprogramowaniu zenon

Aby przedstawić jak oprogramwanie zenon realizuje wymagania  DNP3, przyjrzymy się dokładnie pracy modułu DNP3 master w systemie nadzorowanym przez zenon. Sterownik DNP3 master w oprogramowaniu zenon (znany również jako sterownik „DNP3 TG”) to DNP3 master zgodny ze standardem IEEE Std 1815-2012. Master jest podzbiorem poziomu 4, obsługującym zarówno zapytania i odpowiedzi. Master obsługuje również podstacje, które są podzbiorami poziomu 1, 2 lub 3. Oprócz tych funkcjonalności sterownik DNP3 master w oprogramowaniu zenon obsługuje także:

• Transfer plików
  Sterownik DNP3 master w oprogramowaniu zenon obsługuje funkcje transferu plików DNP, w tym możliwość pobrania informacji o pliku, odczytu folderu, odczytu, zapisu i usuwania plików oraz ich przesyłu.

• Bezpieczne uwierzytelnianie
  zenon obsługuje funkcje DNP Secure Authentication v2 oraz v5, co zapewnia bezpieczną komunikację z urządzeniami zgodnie z wymogami standardów IEEE 1815-2010 oraz IEEE 1815-2012.

• Automatyczna konfiguracja urządzenia master
  Baza danych punktów master wypełnia się automatycznie przez wykorzystanie puli Klasy 0 lub importowanie profili urządzeń XML.

• Zaawansowane statystyki komunikacji
  Sterownik udostępnia szczegółowe statystyki dotyczące komunikacji lokalnej na potrzeby monitorowania połączeń, co pozwala użytkownikom na tworzenie alarmów, konfigurowanie, rejestrowanie lub zbieranie szczegółowych informacji do rozwiązywania problemów i udoskonalania realizowanych operacji.

• Wyjątkowa elastyczność
  Cykle odpytywania mogą być dynamicznie modyfikowane pod kątem zmieniających się potrzeb oraz dostosowywane w celu pobierania danych z bardzo małych lub bardzo dużych grup podstacji.

• Kompatybilność wsteczna
  Wszelkie projekty wykorzystujące starszy sterownik DNP332 lub DNP3 NG można łatwo migrować do nowego sterownika.

Najważniejszą spośród zalet jest fakt, że sterownik DNP3 master w oprogramowaniu zenon jest opracowywany i utrzymywany przez COPA-DATA. Jako członek grupy DNP Users Group odgrywamy aktywną rolę w bieżącym rozwijaniu standardu IEEE 1815 i proaktywnie aktualizujemy nasze oprogramowanie, aby spełniało one rozwijające się potrzeby. Wkrótce sterownik DNP master w oprogramowaniu zenon będzie sterownikiem master, który zaspokoi potrzeby użytkowników w zakresie komunikacji DNP.