Erschienen am: 22.05.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 5 2017

Einrichtung eines WLAN-Zugangs zum Maschinennetzwerk

Sicherungsmaßnahmen zwingend erforderlich

Im Zentrum der Digitalisierung und des Internet of Things (IoT) steht die komplett vernetzte Maschine. Doch wie lässt sich der Zugriff der Nutzer auf eine solch hochkommunikative Anwendung sicher gestalten? Moderne Funkmodule können diese Aufgabe als Access Point anwenderfreundlich realisieren.


In der Vergangenheit hat sich der Schutz des Maschinennetzwerks vor Malware und Schadhandlungen als einfach erwiesen: Es wurde als lokale Insel betrieben, zu der lediglich ein begrenzter Personenkreis - meist Servicetechniker - direkt vor Ort oder per Fernwartung Zugang benötigte. Im Gegensatz dazu können heute viele Menschen auf die vernetzte Maschine zugreifen, weshalb hier neue, sichere Zugriffskonzepte erforderlich sind. Am Beispiel eines Wireless-Zugangs zum Maschinennetzwerk zur Kommunikation mit Smart Devices - wie einem Tablet-PC - lassen sich die Herausforderungen und deren Lösung darstellen. Wie bereits erwähnt, war das Netzwerk bisher dadurch abgesichert, dass es als lokale Insel arbeitete, auf die - wenn überhaupt - nur vor Ort im Schaltschrank über einen offenen Ethernet-Port zugegriffen werden konnte. Daher boten einfache mechanische Schutzeinrichtungen, wie das Abschließen des Schaltschranks, häufig die notwendige Sicherheit. Doch mit der zunehmenden Vernetzung und der Integration weiterer Schnittstellen für einen externen Zugang - z.B. über WLAN - öffnet sich das Netzwerk auch für den entfernten Zugriff. Der Anwender muss also nicht mehr unmittelbar einen mechanischen Zugang zur Maschine haben, sondern kann unbemerkt sowie bei genügender Reichweite sogar von außerhalb des Unternehmensgeländes in das Maschinennetzwerk eindringen. Befinden sich dort Safety-Systeme oder ist das Maschinennetz ungeschützt mit dem Produktionsnetzwerk verbunden, birgt das unkalkulierbare Gefahren für den Maschinenbediener und -betreiber. Vor diesem Hintergrund müssen im Netzwerk zwingend elektronische Sicherungsmaßnahmen umgesetzt werden.

Wireless-LAN-Passwort reicht bei vielen Nutzern nicht aus

Die meisten Netzwerkgeräte erlauben einen Zugriffsschutz, indem sich der Nutzer über ein gemeinsames Gerätepasswort authentifiziert. An sich stellt ein solch sicheres Passwort eine hohe Abwehr von unerlaubten Schadhandlungen zur Verfügung. Allerdings führen die Generierung eines entsprechenden Passworts sowie dessen sichere Dokumentation für den Maschinenbediener zu einem großen Aufwand. Da die Nutzer oftmals davon ausgehen, dass der Zugang zum Netzwerk mechanisch geschützt ist, fehlt ihnen in der Praxis häufig das Problembewusstsein. Dies zeigt sich darin, dass die Netzwerkgeräte meist lediglich über das herstellerseitige oder ein einfaches maschinenbauerspezifisches Default-Passwort geschützt sind. Diese Aussage trifft oft ebenfalls für das WLAN-Passwort (WPA-PSK) zu, welches den Zugriff über den WLAN Access Point auf das Maschinennetzwerk absichert. Wer die Passworte kennt oder weiß, wo sie abgespeichert sind, hat somit freien Zugang zu allen Geräten im Netzwerk. WPA-PSK genügt zwar, um den Datenverkehr in WLAN-Netzen sicher zu verschlüsseln. Doch mag sich ein Passwort für sämtliche Nutzer von Heimnetzen eignen, schützt das Verfahren in Maschinennetzen mit einer Vielzahl häufig wechselnder Nutzer nicht vor unbefugten Zugriffen. Denn durch die ständige Weitergabe ist das geheime Passwort schnell allgemein bekannt. Spätestens dann, wenn einem Nutzer oder Tablet-PC nur vorübergehend Zugang zum Netzwerk eingeräumt worden ist, muss das Passwort erneuert werden. Dies, weil sowohl Nutzer als auch Tablet-PC die Zugangsdaten kennen. Smart Devices merken sich diese zudem und verbinden sich automatisch mit dem Netzwerk, sobald sie in seiner Reichweite sind - und das selbst in dem Fall, wenn der Zugriff nicht mehr gewollt oder erlaubt ist.

Maschinensteuerung übernimmt automatisierte Netzadministration

In einem IT-Netzwerk werden den Nutzern hingegen individuelle Passwörter zentral von einem Administrator zugewiesen und durch einen Server - z.B. einen Radius-Server - an die Netzwerkgeräte verteilt. Ändern sich die Zugriffsrechte eines Nutzers, passt der Administrator dies im zentralen Server an. Die IT-Netzwerke nutzen für das Wireless LAN daher statt WPA-PSK den Security-Mode WPA Enterprise. Bei diesem Verfahren handelt der WLAN Access Point die Verbindungsanfragen der Clients - beispielsweise eines Tablet-PCs - über das Protokoll IEEE802.1x mit einem nachgelagerten Radius-Server aus. Maschinennetze werden nicht von Netzwerkadministratoren betreut. Die einmal eingerichteten Nutzerrechte und Passwörter bleiben deshalb in der Regel über die gesamte Einsatzdauer der Maschine unverändert gültig. Vor diesem Hintergrund stellt die Implementierung von IT-Diensten - wie die Integration eines Radius-Servers in die Maschine - ebenfalls keine Lösung dar, da sie nicht von einem Administrator gepflegt werden. Die geschilderte Herausforderung lässt sich umgehen, indem die Netzwerkadministrierung automatisiert und durch die Maschinensteuerung übernommen wird. Ein solcher Ansatz ist nicht nur kostenneutral und praktikabel, sondern ermöglicht dem Maschinenbauer darüber hinaus die volle Kontrolle und Flexibilität bei der Umsetzung. Wichtige Voraussetzung ist jedoch, dass das Netzwerkgerät - in diesem Fall der WLAN Access Point - eine Schnittstelle umfasst, über welche es die Maschinensteuerung zur Laufzeit steuern kann. Daher hat Phoenix Contact ein Web-API-Interface in seine speziell für den Maschinenbau entwickelten Netzwerkkomponenten eingebaut. Einzelne Funktionen der Netzwerkgeräte lassen sich durch das Versenden von HTTP-GET-Nachrichten zur Laufzeit steuern. Ferner kann das komplette Modul so einfach durch die Maschinensteuerung konfiguriert werden. Die Syntax der Kommandos entspricht dabei der des Standard Command Line Interface (CLI). Die neuen Switches der Produktfamilie FL Switch 2000 sowie der WLAN Access Point der Baureihe WLAN 1100 verfügen über eine entsprechende Schnittstelle.

Einmalpasswort wird bei jedem Verbindungsaufbau generiert

Der Nutzer, der sich über seinen Tablet-PC mit dem Maschinennetzwerk verbinden möchte, meldet seinen Zugangswunsch zum Beispiel über ein Bedienen-und-Beobachten-Terminal an. Die Steuerung generiert daraufhin ein zufälliges Einmalpasswort. Anschließend konfiguriert und aktiviert sie einen virtuellen Access Point im WLAN 1100 per HTTP-GET-Nachricht. Das Einmalpasswort zum neuen WLAN-Netz wird dem Nutzer danach über das Bedienen-und-Beobachten-Terminal mitgeteilt. Als komfortablere Möglichkeit erweist sich die Ausgabe als QR-Code, der mit der Kamera des Tablet-PCs eingelesen und so automatisch die WLAN-Verbindung eingerichtet werden kann. Benötigt der Nutzer die Verbindung nicht mehr, deaktiviert die Steuerung den virtuellen Access Point. Die Kenntnis des WLAN-Passworts sowie die automatische Speicherung im Tablet-PC zeigen sich zukünftig also nicht mehr als Sicherheitsrisiko, weil beim nächsten Verbindungsaufbau ein neues Einmalpasswort erstellt und verwendet wird. Der WLAN 1100 bietet weitere Möglichkeiten für einen einfachen und trotzdem sicheren Zugang zum Maschinenetzwerk. So lassen sich gleichzeitig bis zu zwei virtuelle Access Points mit individuellen WLAN-Sicherheitseinstellungen aufbauen. Neben einem einzigartigen WLAN-Passwort kann der Maschinenbetreiber die Anzahl der gleichzeitigen Verbindungen für jeden Zugang begrenzen sowie den Zugriff auf im Netzwerk installierte Geräte durch einen konfigurierbaren IP-Filter einschränken. Auf diese Weise stellt er zum Beispiel einen vollständigen Netzwerkzugang für den Servicetechniker und gleichzeitig einen Zugriff für den Maschinenbediener bereit, der lediglich Einsicht in den Visualisierungsserver nehmen darf. Darüber hinaus vergibt ein Port-basierter DHCP-Server individuelle und unabhängige IP-Adressen für jeden virtuellen WLAN Access Point an die WLAN-Clients.

Web-API-Schnittstelle integriert

Durch die zunehmende Vernetzung der Maschine steigt auch die Anzahl der Nutzer, die Zugang zu den in ihrem Netzwerk verbauten Geräten haben müssen. Zu diesem Zweck ist ein Sicherheitskonzept für die Vergabe von Nutzerrechten und das Passwort-Management erforderlich. Im Gegensatz zu IT-Netzwerken kann die Maschinensteuerung die Administrierung der Passwörter und Nutzerrechte im Netzwerk automatisiert übernehmen. Allerdings müssen sich die Netzwerkkomponenten zur Laufzeit aus der Maschinensteuerung über eine einfache Schnittstelle steuern lassen. Als neue Netzwerkgeräte für den Maschinenbau stellen die Switches der Produktfamilie FL Switch 2000 sowie die Access Points der Baureihe WLAN 1100 ein entsprechendes Web-API-Interface zur Verfügung.