IEC 60870-5-104 ve DNP3: enerji sistemlerinde uzaktan izleme

Bir elektrik dağıtım şirketinin kontrol merkezi, sahadaki trafo merkezlerinde bulunan RTU’larla (uzak terminal birimi) ve koruma rölelerinden gelen verilerle çalışır. Merkezle saha arasındaki bu haberleşmede en sık karşılaşılan iki protokol IEC 60870-5-104 ve DNP3’tür. İkisi de aynı ihtiyaçtan doğdu: geniş bir alana dağılmış ekipmanı sınırlı bant genişliğiyle, güvenilir biçimde izlemek ve kumanda etmek.

Kısa tarihçe

IEC 60870-5, Uluslararası Elektroteknik Komisyonu’nun (IEC) uzaktan kumanda protokolleri ailesidir. Ailenin seri hat üzerinde çalışan üyesi IEC 60870-5-101’dir. Aynı uygulama katmanını TCP/IP ağlarına taşıyan IEC 60870-5-104 ise 2000’de yayımlandı ve başta Avrupa olmak üzere birçok bölgede elektrik şebekelerinin ortak dili oldu.

DNP3 (Distributed Network Protocol) 1990’ların başında Kuzey Amerika’da geliştirildi ve 2010’da IEEE 1815 numarasıyla standartlaştı. Elektrik dağıtımının yanında su ve atıksu sistemlerinde de yaygındır. Seri hat, TCP ve UDP üzerinde çalışabilir.

Veri modeli

IEC 104’te her veri bir ASDU (uygulama servis veri birimi) içinde taşınır. ASDU’nun tipi verinin ne olduğunu söyler: tekli ya da çiftli nokta durumu, ölçülen değer, sayaç ya da komut. Her bilgi nesnesinin bir adresi (IOA) vardır. İletim nedeni de mesajın içindedir: kendiliğinden değişim, sorgu cevabı ya da periyodik gönderim gibi.

DNP3 veriyi nesne grupları ve varyasyonlarla tanımlar: ikili girişler, analog girişler, sayaçlar, ikili ve analog çıkışlar. Aynı verinin farklı biçimleri, örneğin zaman damgalı ya da damgasız, 16 ya da 32 bit, varyasyonla seçilir. DNP3 ayrıca anlık değerleri (statik veri) değişim kayıtlarından (olaylar) ayırır.

Olaylar ve zaman damgaları

İki protokolde de temel fikir aynıdır: değişmeyen veriyi sürekli taşımamak, değişikliği bildirmek.

IEC 104’te kontrollü istasyon (RTU) bir değer değişince onu kendiliğinden gönderir. Merkez, bağlantı kurulduğunda ya da gerektiğinde genel sorgu ile tüm verinin güncel halini ister. Olaylar, milisaniye çözünürlüklü yedi baytlık bir zaman etiketiyle (CP56Time2a) gönderilebilir.

DNP3’te saha cihazı olayları üç sınıfa ayırarak tamponunda biriktirir. Master bunları sınıf sorgusuyla toplar; izin verilmişse cihaz olayları istenmeden (unsolicited) de gönderebilir. Bağlantı koptuğunda tamponda bekleyen olaylar bağlantı geri gelince sırasıyla alınır. Bu yaklaşım, güvenilmez hatlarda olayların sırasını korumayı kolaylaştırır. Tüm statik verinin bir seferde istendiği sorguya bütünlük sorgusu (integrity poll) denir.

Komutlar

İki protokol de kumanda için seç-çalıştır (select-before-operate) yöntemini tanımlar: merkez önce komutu seçer, saha cihazı seçimi doğrular, ardından komut çalıştırılır. Bu yöntem yanlış nesneye kumanda riskini azaltmak için yaygın olarak kullanılır. Doğrudan çalıştırma da iki protokolde de vardır.

Güvenlik

IEC 104, tasarlandığı dönemin varsayımlarıyla, kendi içinde kimlik doğrulama ya da şifreleme tanımlamaz. IEC 62351 standart ailesi bu boşluk için TLS ve kimlik doğrulama yöntemleri getirir; sahada ne kadar kullanılabildiği cihazların desteğine bağlıdır.

DNP3’te Secure Authentication, kritik mesajların yetkili istasyondan geldiğini doğrulamaya yarar; beşinci sürümü (SAv5) IEEE 1815-2012’de tanımlıdır. DNP3, TCP üzerinde TLS ile de kullanılabilir. Hangi protokol seçilirse seçilsin, ağ ayrımı ve erişim kontrolü yine temel önlemdir.

Özet karşılaştırma

	IEC 60870-5-104	DNP3
Kökeni	IEC, Avrupa	Kuzey Amerika, IEEE 1815
Taşıma	TCP/IP	Seri hat, TCP, UDP
Veri tanımı	ASDU tipi ve nesne adresi	Nesne grubu ve varyasyon
Değişim bildirimi	Kendiliğinden gönderim, genel sorgu	Olay sınıfları, sınıf sorgusu, istenmeden gönderim
Güvenlik	IEC 62351 ile	Secure Authentication, TLS

Hangisini seçmeli?

Çoğu projede seçimi teknik üstünlükten çok mevcut durum belirler:

• Sahadaki cihazlar hangi protokolü konuşuyor? Yeni bir merkez, yıllardır çalışan RTU’lara uymak zorundadır.
• Şebeke işletmecisinin şartnamesi ne istiyor? Birçok ülkede iletim ve dağıtım şirketleri bu tercihi teknik şartnamede belirler.
• Haberleşme altyapısı nedir? Seri hat ya da düşük bant genişlikli telsiz bağlantılarında DNP3’ün olayları tamponlama yaklaşımı işe yarayabilir.
• Güvenlik gereksinimleri hangi kimlik doğrulama yöntemini şart koşuyor?

YTCC’de

YTCC’de IEC 60870-5-104 ve DNP3 sürücüleri master rolündedir. IEC 104 sürücüsü tekli komut gönderir; seç-çalıştır isteğe bağlıdır. DNP3 sürücüsü TCP, UDP ve seri hat üzerinde çalışır; TLS ve Secure Authentication v5 kullanabilir. Her sürücü örneği ayrı bir işletim sistemi sürecinde çalışır. Cihaz haberleşmesi kesilince cihaz başına tek alarm, sürücü süreci yanıt vermezse ayrı bir alarm üretilir.

YTCC’nin haberleştiği diğer saha protokolleri Platform sayfasında.