Lösungen für Probleme mit IP-Adressen bei GPRS Fernüberwachungs- und Alarmsystemen

(PresseBox) (Unterschleissheim, ) GPRS ist eine Kommunikationstechnologie, die das Problem der Verkabelung von Datenerfassungssystemen an großräumigen dezentralen Standorten löst. GPRS-Anwendungen gewinnen dank der einfachen Implementierung stetig an Bedeutung, doch die mit GPRS-Vernetzung verbundenen Schwierigkeiten bei den dynamischen IP-Adressen stellen nach wie vor ein Hindernis für Systemintegratoren dar.

Bei großflächigen Gebieten und schwer zu verdrahtenden Standorten für Fernüberwachungs- und Alarmanwendungen, wie beispielsweise herkömmliche Flussüberwachungssysteme, erweist sich die Installation als kompliziert, da Flussumgebungen für den Einsatz von Draht- oder Glasfaserleitungen zur Datenübertragung wenig geeignet sind. Die GPRS-Technologie hingegen bietet Systemintegratoren eine ausgezeichnete Alternative. Neben der einfachen Einrichtung und Konfiguration kann bei einem GPRS-Überwachungssystem auch mit deutlich geringeren Betriebskosten gerechnet werden, da die Kosten direkt proportional zur übertragenen Datenmenge und Datenübertragungsfrequenz sind.

GPRS-Technologie vereinfacht zwar die Einrichtung eines Flussüberwachungssystems, doch kann die Tatsache, dass die meisten GPRS-Geräte dynamische IP-Adressen verwenden, zu einer gewissen Frustration führen, was daher rührt, dass Anbieter von Telekommunikationsdiensten (gewöhnlich als Netzwerkbetreiber oder "Carrier" bezeichnet) ihren Kunden häufig temporäre IP-Adressen für den Internetzugang zuweisen.

Im Gegensatz zu statischen IP-Adressen haben die Kontrollzentren bei Verwendung dynamischer Adressen Schwierigkeiten, eine permanente Verbindung zu dezentralen Geräten aufrecht zu erhalten.

Die traditionelle Polling-Architektur von GPRS-Netzwerken

Traditionelle Überwachungs- und Alarmsysteme verwenden eine Polling-Architektur, die nur dann einwandfrei funktioniert, wenn der Host die IP-Adressen der vom System verwendeten I/O-Geräte kennt. Das Problem bei GPRS-fähigen I/O-Geräten besteht darin, dass die Geräte bei jedem Verbindungsaufbau mit dem GPRS-Netzwerk eine andere IP-Adresse erhalten. Zur Behebung dieses Problems wurden drei Lösungsansätze entwickelt:

Lösung 1: Öffentliche statische IP-Adresse

Die erste Lösung besteht in einer öffentlichen statischen IP-Adresse. Einige Carrier können eine solche statische IP-Adresse einer spezifischen SIM-Karte zuweisen.

Auf diese Weise verfügen alle I/O-Geräte über eine eigene statische IP-Adresse, und das gesamte System funktioniert auf dieselbe Art und Weise wie traditionelle Überwachungssysteme mit physischer Verdrahtung.

Der Hauptvorteil dieser Lösung dürfte darin liegen, dass sein Verhalten mit dem einer verdrahteten Lösung identisch ist. Allerdings bieten nicht alle Carrier einen solchen Service an, und falls doch, dann sind die Kosten relativ hoch.

Lösung 2: Vom Carrier / MVNO geleisteter VPN-Dienst

Ein VPN (Virtuelles Privates Netzwerk) ist eine sichere LAN-Lösung, bei der spezifische Geräte gruppiert werden. Ein VPN hat zwei Hauptfunktionen: Sicherheit und Gruppierung. Im GPRS-Bereich löst dieses Gruppierungskonzept das Problem der dynamischen IP-Adressen.

Die Gruppierung der Geräte in einem einzigen privaten Netzwerk verhindert einen Zugriff Unbefugter auf die Daten. Für diese VPN-Lösung müssen Kunden mehrere verschiedene GPRS Online-Dienste erwerben und den Zugang zu einem Virtuellen Privaten Netzwerk (VPN) beantragen. Wenn sich das GPRS-Gerät einwählt, weist der Carrier diesem eine private IP-Adresse zu. Da sich die private IP-Adresse in demselben Netzwerksegment befindet wie der Host, können Host und Geräte unter Verwendung einer Polling-Architektur eine bidirektionale Verbindung aufrechterhalten.

Da die meisten Carrier keine grundlegenden Servicepakete für Unternehmenskunden anbieten, wenden sich diese häufig an Betreiber mobiler, virtueller Netzwerke (MVNO). MVNOs sind Mobilfunkanbieter, die jedoch über keine eigene lizenzierte Funkfrequenz und möglicherweise auch über keine für Mobilfunknetze erforderliche Infrastruktur verfügen. Ein MVNO erwirbt zahlreiche GPRS-Dienste und vermietet diese anschließend an Kunden, die nur eine geringe Anzahl an IP-Adressen benötigen. Im Allgemeinen richten MVNOs auch einen VPN-Server zur Aufteilung ihrer Kunden in verschiedene Gruppe ein.

Leider gibt es in einigen Ländern keine MVNO, und nicht alle Carrier bieten VPN-Dienste an. Diese Lösung ist daher für einige Anwender möglicherweise nicht realisierbar.

Lösung 3: DDNS

Die Verwendung dynamischer IP-Adressen ist häufig erforderlich, weil viele Internet Service Provider (ISP) keine statischen IP-Adressen zuweisen oder weil die Kosten für den Erwerb einer statischen IP-Adresse zu hoch sind. Das Dynamische Domainnamen-System (DDNS) wird eingesetzt, um einen Gerätenamen in eine dynamische IP-Adresse umzuwandeln, sodass dezentrale Geräte unter Verwendung eines festen Domainnamens mit dem Kontrollzentrum kommunizieren können. DDNS ist ein DNS-Servertyp. Der Unterschied zwischen DDNS und DNS besteht darin, dass DDNS mit der dynamischen IP-Adresse und DNS mit der statischen IP-Adresse eines Gerätes arbeitet. Bei den meisten dezentralen GPRS-Diensten müssen Sie für jedes vom DDNS-Server verwaltete Gerät einen Hostnamen beantragen.

Wenn GPRS-Geräte eine IP-Adresse vom Carrier erhalten, erfolgt automatisch ein Verbindungsaufbau zum GPRS-Netzwerk. Jedes Mal, wenn der integrierte DDNS-Client eines GPRS-Gerätes eine neue IP-Adresse erhält, wird die IP-Adresse an den DDNS-Server gesendet. Die Zuordnungstabelle im DDNS-Server wird jedes Mal aktualisiert, wenn dieser Der Host kann die IP-Adresse eines Gerätes abfragen, indem er die DDNS-Zuordnungstabelle nach dem Hostnamen des Gerätes durchsucht. Diese Lösung birgt jedoch zwei Probleme: (1) Der Großteil der DDNS-Server hat keine Standard-Protokolle zur Implementierung aktualisierter IP-Adressen, wodurch es für GPRS-Geräte schwierig wird, dem DDNS Client-Access-Points bereitzustellen. (2) Die Qualität des Dienstes. Da DDNS-Dienste in der Regel von einem externen Service Provider zur Verfügung gestellt werden, kann es zu einem Zusammenbruch des Systems kommen, wenn das DDNS die Verbindung verliert oder gewartet wird. Zudem muss dem DDNS Service Provider wegen der besseren Service-Qualität möglicherweise ein Aufpreis bezahlt werden.

Die Vor- und Nachteile von Polling

Die Polling-Architektur bietet den Vorteil, dass sie genau so funktioniert wie verdrahtete Ethernet-Umgebungen. Zur Implementierung dieser Lösungen wird ein externer Anbieter, z. B. ein Carrier oder ein MVNO/DDNS Service Provider, benötigt. In den meisten Fällen erfordern die Lösungen Zeit und Geld sowie die Kooperation mit externen Anbietern, um ein geeignetes Mittel zur Implementierung Ihres dezentralen GPRS Überwachungs- und Alarmsystems zu finden.

Neue Push-Architektur für GPRS-Netzwerke

Push-Architektur ist eine mobile, zentrische Lösung. Service Provider wie Webportale und E-Mail-Server verwenden einen festen Domainnamen. Clients wie Mobiltelefone erhalten Informationen von diesen Service Providern, indem die Verbindungsanforderung an das Web und an die E-Mail-Server weitergeleitet wird. Wenn die Verbindung hergestellt ist, erfolgt die Kommunikation bidirektional.

Im Gegensatz zur so genannten Polling-Architektur ermöglicht die Push-Technologie eine bidirektionale Kommunikation für GPRS-Netzwerke, die entweder eine dynamische oder eine statische IP-Adresse verwenden.

Ein dezentrales Gerät mit Frontend-Intelligenz kann einen Bericht über seinen I/O-Status an den Host senden und bei Bedarf eine Verbindung zum GPRS-Netzwerk herstellen.

Da Moxas Active OPC Server Push-Technologie unterstützt, richtet unsere GPRS I/O-Produktpalette ein Software-basiertes Gateway ein, das die Kommunikation vereinfacht. Bei Verwendung einer statischen IP-Adresse auf dem Active OPC Server kann das GPRS I/O-Gerät eine Verbindung zum GPRS-Netzwerk und Active OPC Server herstellen, ohne dass Probleme mit der IP-Adresse auftreten.

Im Gegensatz zur Polling-Architektur löst Push-Technologie nicht nur das Problem der IP-Adressen, sondern reduziert auch die Netzwerklast und die Bandbreitenbelegung.

Die Moxa ioLogik W5340 Active GPRS I/Os nutzen optimal alle Vorteile der Push-Technologie und von Active OPC Server.
Active GPRS I/O und Active OPC Server bieten Folgendes:

1. SCADA-Datenerfassung über OPC-Protokoll
2. SCADA-Datenerfassung über Modbus/TCP-Protokoll
3. ioAdmin.exe: Active GPRS I/O-Konfigurationssoftware

Alarmmeldungen wie E-Mails und SNMP-Traps oder anwenderspezifische TCP/UDP-Rohpakete können sämtlich aktiv an E-Mail-Server, SNMP-Trap-Server oder TCP/UDP-Server weitergegeben werden. SMS können vom Active GPRS I/O an das Mobiltelefon eines Ingenieurs weitergeleitet werden.

Active OPC Server ist ein außergewöhnlich leistungsfähiges Gateway für Active GPRS I/O. Es übernimmt die Verwaltung von IP-Adressen, GPRS I/O-Gerätenamen, Datenerfassungs-Gateways und Konfigurations-Gateways. Dies ist definitiv die einfachste Lösung für die GPRS-Industrie, um die mit IP-Adressen und der Kommunikation verbundenen Probleme zu beheben.

Vorteile des Einsatzes von Active GPRS I/O

Die W5340 Active GPRS I/O-Geräte von Moxa sind mit 4 Analogeingängen, 8 softwareseitig konfigurierbaren, digitalen Ein-/Ausgängen und 2 Relaisausgängen ausgestattet. Mit der integrierten GPRS-Kommunikation, Frontend-Intelligenz und der Datenaufzeichnungsfunktion bietet sich dem Anwender eine hochintegrierte Lösung. Das W5340 verfügt zudem über einen seriellen 3-in-1-Port (RS-232/422/485) zum Anschluss von seriellen Feldgeräten wie Instrumenten oder Messgeräten. Die Nutzung von Active GPRS I/O bietet folgende Vorteile:

- Eine kostengünstige Lösung für GPRS Telemetrie-Anwendungen.
- Die perfekte Wahl zur Lösung des Problems dynamischer IP-Adressen:
- Ob öffentliche oder private, dynamische oder statische Adresse.
- Einfache Installation: Mit Unterstützung von Active OPC kann das W5340 IP-Adressen und den I/O-Status an Active OPC Server senden.
- Flexible Ereignisverwaltung dank integrierter Click&Go-Logik.
- Vielfältige Alarmfunktionen: SMS, SNMP-Trap und E-Mai.
- Geringere Bandbreitenbelegung: Die Push-Architektur reduziert die Bandbreitenbelegung um 80% im Vergleich zur Polling-Architektur.
- Schnellere Ansprechzeit dank Push-Technologie und Ereignisverwaltung.
- Datenaufzeichnung: Lokale Daten werden auf SD-Karte gespeichert und über TFTP an den Host weitergegeben.

Fazit

Fernüberwachungs- und Alarmsysteme, die in Anwendungsbereichen wie Wasserverteilung, Pipeline-Management und Umweltüberwachung zum Einsatz kommen, müssen einen weiträumigen Bereich abdecken und zuverlässig funktionieren. Vor allem müssen die Kosten tragbar sein. Eine Fernüberwachungs- und Alarmlösung mit Active GPRS I/O-Geräten und Active OPC Server von Moxa hilft Anwendern, die mit der Verwendung dynamischer IP-Adressen verbundenen Probleme zu überwinden, und macht den Anschluss an SCADA-Systeme denkbar einfach.

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