Der Wert von VLANs im industriellen Internet der Dinge: Vom Konzept über die Anwendung bis hin zu praktischen Lösungen von Wavetel IoT

Inhaltsverzeichnis (Klicken Sie hier, um zu der gewünschten Stelle zu gelangen)

1. Definition von VLAN

2. Arten von VLAN

3. Die Hauptfunktion von VLAN in industriellen Routern

4. Vergleichende Analyse

5. Best Practices für die Implementierung von industriellen VLANs

6. Ausblick: Die Entwicklung von VLAN in Industrie 5.0

Einleitung: Neue Anforderungen an industrielle Netzwerke

Angetrieben durch Industrie 4.0 und intelligente Fertigung stellt das industrielle Internet der Dinge (IIoT) bisher unbekannte Anforderungen an die Netzwerkarchitektur. Die Anzahl der Geräte in Fabrikumgebungen steigt rapide an und umfasst Sensoren, speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Industrieroboter, Überwachungssysteme und vieles mehr. Die von diesen Geräten erzeugten Datenströme sind komplex und vielfältig. Herkömmliche flache Netzwerkarchitekturen verfügen über keine Segmentierungs- und Isolierungsmechanismen, was leicht zu Broadcast-Stürmen, Leistungsengpässen und Sicherheitsrisiken führen kann. Sie können die Anforderungen moderner Industrieumgebungen an hohe Zuverlässigkeit, geringe Latenz und hohe Sicherheit nicht erfüllen. Die VLAN-Technologie (Virtual Local Area Network) optimiert die Netzwerkverwaltung durch logische Segmentierung und ist damit die zentrale Lösung für das Design industrieller Netzwerke. Als führender Anbieter von industriellen Netzwerkgeräten hat Wavetel IoT seine Produktlinien für industrielle Router, Gateways, Modems und Switches (z. B. WR575 5G-Router, WR244- und WR565-Serien) tief in die VLAN-Technologie integriert, um die komplexen Netzwerkanforderungen in Bereichen wie Energie, Sicherheit, Automobil, Umweltschutz und intelligente Fertigung zu unterstützen. In diesem Artikel werden die Definition, die Arten, die konkreten Anwendungen in industriellen Routern, Vergleichsanalysen, Best Practices und zukünftige Entwicklungstrends von VLANs ausführlich behandelt.

1. Definition von VLAN

   Ein virtuelles lokales Netzwerk (Virtual Local Area Network, kurz VLAN) ist eine Netzwerk-Segmentierungstechnologie auf Basis des IEEE 802.1Q-Standards, die durch die Erstellung logischer Segmente in einem physischen lokalen Netzwerk Geräte zu unabhängigen Broadcast-Domänen gruppiert, ohne dass zusätzliche physische Hardware erforderlich ist. VLAN identifiziert das virtuelle Netzwerk, zu dem ein Datenframe gehört, durch die Zuweisung von Tags (VLAN-Tags) an Switch-Ports, wodurch der Datenverkehr isoliert, Broadcast-Stürme reduziert und die Netzwerkleistung verbessert werden. In industriellen IoT-Umgebungen kann VLAN komplexe Datenströme einer großen Anzahl von Geräten effizient verwalten. In einer intelligenten Fabrik beispielsweise kann VLAN die Daten von Sensoren und SPSen auf der Produktionslinie vom IT-Datenverkehr im Verwaltungsbüro trennen, um die vorrangige Übertragung kritischer Produktionsaufgaben sicherzustellen und gleichzeitig das Risiko einer Netzwerküberlastung zu verringern. Darüber hinaus unterstützt VLAN eine flexible Netzwerkkonfiguration, sodass Administratoren die Netzwerkstruktur dynamisch an die Gerätefunktionen, Abteilungen oder Sicherheitsanforderungen anpassen können.

2. Arten von VLANs

   Im industriellen Internet der Dinge erfüllen verschiedene Arten von VLANs unterschiedliche Netzwerkanforderungen. Im Folgenden sind gängige VLAN-Arten und ihre konkreten Anwendungen in industriellen Szenarien aufgeführt:

• Standard-VLAN

Das Standard-VLAN ist die werkseitige Konfiguration des Switches, in der Regel VLAN 1, dem standardmäßig alle Ports zugeordnet sind. Das Standard-VLAN eignet sich für grundlegende Netzwerkverbindungen, sollte jedoch aufgrund fehlender Isolierungsfunktionen in industriellen Umgebungen mit Vorsicht verwendet werden. In kleinen Fabriken kann das Standard-VLAN beispielsweise für die vorübergehende Verbindung von Testgeräten verwendet werden, in Produktionsumgebungen sollte jedoch ein dediziertes VLAN konfiguriert werden, um die Sicherheit zu gewährleisten.

• Daten-VLAN

Das Daten-VLAN ist speziell für den Datenverkehr von Industriegeräten (z. B. Sensoren, SPS, Industriekameras) vorgesehen und kann den produktionsbezogenen Datenverkehr effektiv isolieren. In einer Automobilfabrik kann das Daten-VLAN beispielsweise zur Übertragung von Echtzeitdaten von Schweißrobotern und Qualitätsprüfgeräten verwendet werden, um eine Konkurrenz um Bandbreite mit nicht produktionsbezogenem Datenverkehr zu vermeiden.

• Sprach-VLAN

Das Sprach-VLAN ist speziell für VoIP-Datenverkehr (Internet-Telefonie) ausgelegt und gewährleistet in Kombination mit einem QoS-Mechanismus (Quality of Service) eine Sprachübertragung mit geringer Latenz und hoher Klarheit. In industriellen Szenarien eignet sich das Sprach-VLAN für die Fernüberwachung oder die Echtzeitkommunikation zwischen Bedienern. In einer Fernpumpstation der Energiebranche beispielsweise gewährleistet das Sprach-VLAN eine stabile Kommunikation zwischen den Ingenieuren vor Ort und der Leitstelle.

• Verwaltungs-VLAN

Das Verwaltungs-VLAN ist speziell für die Konfiguration und Überwachung des Datenverkehrs von Netzwerkgeräten vorgesehen und unterstützt Protokolle wie SSH, SNMP und Telnet. Die Isolierung des Verwaltungsdatenverkehrs verhindert unbefugten Zugriff und erhöht die Effizienz der Netzwerkverwaltung. Im Bereich des Umweltschutzes kann das Verwaltungs-VLAN beispielsweise zur Fernkonfiguration und Überwachung von Datenerfassungsgeräten für Luftqualitätssensoren verwendet werden.

• Lokales VLAN

Lokale VLANs verarbeiten den nicht markierten Datenverkehr von Trunk-Ports und werden in der Regel für die Kommunikation zwischen Switches verwendet. In industriellen Umgebungen mit mehreren Switches gewährleisten lokale VLANs die Datenkonsistenz zwischen den Geräten. In großen Logistiklagern können lokale VLANs beispielsweise zur Verbindung von Switches verwendet werden, die über verschiedene Bereiche verteilt sind.

• Trunk-VLAN

Trunk-VLANs ermöglichen die Übertragung des Datenverkehrs mehrerer VLANs über eine einzige Verbindung und eignen sich für industrielle Szenarien, in denen mehrere Switches verbunden werden müssen. In einer intelligenten Fertigungsanlage können Trunk-VLANs beispielsweise den VLAN-Datenverkehr von Produktionslinien, Lager- und Bürobereichen über einen Core-Switch miteinander verbinden.

• Privates VLAN (PVLAN)

Ein privates VLAN erhöht die Sicherheit, indem es die Geräteports innerhalb derselben Broadcast-Domäne weiter isoliert. In industriellen Rechenzentren verhindert ein PVLAN die direkte Kommunikation zwischen Servern. In SCADA-Systemen der Energiebranche kann ein PVLAN beispielsweise verschiedene Überwachungsknoten isolieren und so das Risiko von Netzwerkangriffen verringern.

• Statisches VLAN

Statische VLANs weisen Ports manuell bestimmten VLANs zu und eignen sich für Szenarien mit festen Geräten wie SPS oder industriellen Bedienfeldern. Statische VLANs sind einfach zu konfigurieren und eignen sich für industrielle Umgebungen mit festen Gerätepositionen und -funktionen.

• Dynamisches VLAN

Dynamische VLANs weisen VLANs automatisch auf der Grundlage von MAC-Adressen, Protokollen oder Benutzerauthentifizierung zu und eignen sich für Szenarien, in denen Geräte häufig bewegt werden. In der intelligenten Logistik können beispielsweise fahrerlose Transportfahrzeuge (AGVs) dynamisch zwischen VLANs in verschiedenen Bereichen wechseln, um die Flexibilität der Netzwerkverbindung aufrechtzuerhalten.

Diese VLAN-Typen bieten flexible Netzwerkkonfigurationslösungen für industrielle Netzwerke. Beispielsweise können Verwaltungs-VLANs den Überwachungsverkehr isolieren, dynamische VLANs sind für mobile Geräte geeignet und private VLANs verbessern den Schutz sensibler Daten.

3. Die Hauptfunktion von VLANs in industriellen Routern

Die VLAN-Technologie spielt eine entscheidende Rolle in industriellen Routern und verbessert die Leistung, Sicherheit und Verwaltungseffizienz des Netzwerks erheblich. Im Folgenden sind die fünf Kernfunktionen von VLANs in industriellen Routern aufgeführt, kombiniert mit konkreten Anwendungsbeispielen für Wavetel-IoT-Produkte:

• Netzwerkaufteilung und Datenverkehrsisolierung

VLAN reduziert Broadcast-Stürme und optimiert die Bandbreitenzuweisung, indem es das Netzwerk in mehrere logische Broadcast-Domänen unterteilt. In industriellen Umgebungen gibt es eine Vielzahl von Geräten (z. B. Sensoren, SPS, Industriekameras und HMIs), deren Datenstromanforderungen sich erheblich unterscheiden. VLAN kann Produktionsgeräte (z. B. SPS und Sensoren in Produktionslinien) einem VLAN zuweisen und Verwaltungsgeräte (z. B. Bürocomputer) einem anderen VLAN, um Datenverkehrskonflikte zu vermeiden. Beispielsweise unterstützt der WR575 5G-Industrierouter von Wavetel IoT das IEEE 802.1Q-VLAN-Protokoll und integriert Netzwerkprotokolle wie TCP, UDP, DHCP und NAT, sodass Benutzer VLANs über die Web-GUI oder die CLI schnell vor Ort in der Industrie konfigurieren können. In einer Automobilfabrik kann der WR575 beispielsweise die Sensordaten aus der Presswerkstatt vom Kontrollverkehr in der Montagehalle trennen und so eine effiziente Übertragung der Produktionsdaten in Echtzeit gewährleisten.

• Erhöhte Sicherheit

  Industrielle Netzwerke sind zunehmend Bedrohungen durch Cyberangriffe ausgesetzt, wie beispielsweise der Verbreitung von Malware oder dem unbefugten Zugriff auf Geräte. VLANs verhindern durch logische Isolierung die horizontale Kommunikation zwischen Geräten und verringern so Sicherheitsrisiken. Private VLANs (PVLANs) isolieren Ports innerhalb desselben Broadcast-Bereichs zusätzlich und eignen sich besonders für Rechenzentren oder gemeinsam genutzte Netzwerkumgebungen. In intelligenten Stromnetzen der Energiebranche können PVLANs beispielsweise die Überwachungs- und Steuerungsgeräte von Umspannwerken isolieren und so potenzielle Netzwerkangriffe verhindern. Die industriellen Router von Wavetel IoT (z. B. WR575 und WR244) integrieren Firewall-, DMZ-, Anti-DDOS- und VLAN-Sicherheitsfunktionen und bieten so mehrschichtigen Schutz für sensible Industriedaten. Im Bereich des Umweltschutzes beispielsweise können VLANs Wasserqualitätssensoren von externen Netzwerken isolieren und so Datenmanipulationen oder -lecks verhindern.

  
  

• Unterstützung von QoS und Prioritätsmanagement

In Kombination mit dem Quality of Service (QoS)-Mechanismus können VLANs kritischeren Aufgaben eine höhere Bandbreite und Priorität zuweisen. Sprach-VLANs und Daten-VLANs optimieren jeweils die Übertragung von VoIP- und Echtzeit-Datenverkehr und gewährleisten so geringe Latenzzeiten und hohe Zuverlässigkeit. In einem Ferndiagnosesystem der Automobilindustrie beispielsweise können Sprach-VLANs die Sprachkommunikation zwischen Ingenieuren und der Leitstelle priorisieren, während Daten-VLANs die Echtzeitübertragung von Diagnosedaten gewährleisten. Der WR575-Router von Wavetel IoT unterstützt Wi-Fi 6 und Multi-WAN-Failover-Funktionen und arbeitet mit VLAN zusammen, um Netzwerkverbindungen mit geringer Latenz und hoher Zuverlässigkeit bereitzustellen. Obwohl der WR575 QoS-Konfigurationen nicht ausdrücklich unterstützt, bieten seine leistungsstarke Hardware und sein flexibler Protokollstack eine solide Grundlage für die VLAN-Prioritätsverwaltung. In intelligenten Verkehrssystemen kann der WR575 beispielsweise Verkehrsampelsteuerungsdaten und Videoüberwachungsdaten über VLAN isolieren, um die Echtzeitfähigkeit der Signalsteuerung sicherzustellen.

• Flexibilität und Skalierbarkeit

Die VLAN-Technologie reduziert durch logische Segmentierung die Abhängigkeit von physischen Netzwerkgeräten und erleichtert die Erweiterung industrieller Netzwerke. Dynamische VLANs weisen Geräte automatisch anhand ihrer MAC-Adresse oder Authentifizierung zu und eignen sich daher für Szenarien mit häufig wechselnden mobilen Geräten, wie z. B. AGVs oder Lagerroboter in der intelligenten Logistik. Trunk-VLANs ermöglichen die Übertragung mehrerer VLANs über eine einzige Verbindung und erleichtern so die Verbindung von industriellen Routern mit verteilten Switches. Die Industrierouter WR244 und WR565 von Wavetel IoT bieten mehrere Ethernet-Ports und Mobilfunkverbindungen (4G/5G) und unterstützen fortgeschrittene Routing-Protokolle wie statisches Routing, BGP, OSPF und RIP, die in Kombination mit VLAN eine nahtlose Netzwerkerweiterung ermöglichen. In einer großen petrochemischen Anlage kann der WR244 beispielsweise über Trunk-VLANs Switches im Raffineriebereich und im Lagerbereich verbinden und so eine einheitliche Netzwerkverwaltung über mehrere Bereiche hinweg ermöglichen.

• Verwaltung und Überwachung

Das Verwaltungs-VLAN ist speziell für die Gerätekonfiguration und die Überwachung des Datenverkehrs vorgesehen und unterstützt Verwaltungsprotokolle wie SSH, SNMP, Telnet und Web-GUI. Die Isolierung des Verwaltungsdatenverkehrs verhindert unbefugten Zugriff und erhöht die Betriebseffizienz. Die industriellen Router von Wavetel IoT bieten über Web-GUI und CLI eine intuitive Verwaltungsoberfläche, die in Kombination mit dem Verwaltungs-VLAN eine effektive Isolierung des Konfigurationsdatenverkehrs ermöglicht. Beispielsweise ermöglicht das Verwaltungs-VLAN in einem Fernüberwachungssystem für die Luftqualität im Bereich Umweltschutz Ingenieuren die Fernkonfiguration von Sensorparametern über den WR565-Router, ohne dass ein physischer Zugriff auf die Geräte erforderlich ist. Darüber hinaus erleichtert die SNMP-Unterstützung von Wavetel die Integration in Netzwerkmanagementsysteme wie Nagios oder Zabbix und ermöglicht so eine Echtzeitüberwachung und Fehlerdiagnose.

4. Vergleichende Analyse

   
   

   Industrienetzwerke ohne VLAN vs. mit VLAN

Netzwerke mit VLAN eignen sich besser für komplexe Szenarien mit vielen Geräten in industriellen Umgebungen. In intelligenten Fertigungsfabriken können VLANs beispielsweise Produktionslinien, Lager und Büronetzwerke voneinander trennen und so eine effiziente Übertragung und Sicherheit der Produktionsdaten gewährleisten.

Statisches VLAN vs. dynamisches VLAN

Statische VLANs bieten eine höhere Kontrolle und Stabilität und eignen sich für industrielle Szenarien mit festen Geräten. Dynamische VLANs eignen sich hingegen besser für Anwendungen mit hoher Mobilität. In Logistiklagern können beispielsweise statische VLANs für feste Scanner verwendet werden, während dynamische VLANs den dynamischen Verbindungsanforderungen von AGV gerecht werden.

VLAN vs. Subnetz

VLAN eignet sich in industriellen Szenarien besser für Anforderungen an niedrige Latenz, hohe Sicherheit und flexible Netzwerkkonfiguration. In intelligenten Fabriken kann VLAN beispielsweise den Datenverkehr verschiedener Produktionslinien schnell isolieren, während Subnetze besser für die regionenübergreifende Netzwerkplanung geeignet sind.

5. Best Practices für die Implementierung von industriellen VLANs

5.1 Planungsgrundsätze

• VLANs nach Funktionen statt nach Standorten aufteilen: Teilen Sie VLANs nach Gerätefunktionen (z. B. Produktion, Überwachung, Verwaltung) auf, anstatt einfach nach geografischen Standorten. In einer intelligenten Fabrik können beispielsweise PLCs, Sensoren und HMIs der Produktionslinie dem „Produktions-VLAN“ zugewiesen werden, während Überwachungsgeräte dem „Überwachungs-VLAN“ zugewiesen werden.

• Reservieren Sie VLAN-IDs für zukünftige Erweiterungen: Reservieren Sie bei der Planung 20 bis 30 % der VLAN-IDs (z. B. VLAN 100 bis 200), um neue Geräte oder Abteilungen zu unterstützen. In der Energiebranche können beispielsweise neue intelligente Stromzähler den reservierten VLAN-IDs zugewiesen werden.

• Verwenden Sie für wichtige Geräte ein separates VLAN: Weisen Sie wichtige Geräte (z. B. SCADA-Systeme oder Sicherheitsüberwachungsgeräte) einem dedizierten VLAN zu und beschränken Sie den Zugriff mithilfe von Zugriffskontrolllisten (ACL). In einer petrochemischen Fabrik sollte das SCADA-System beispielsweise das separate VLAN 10 verwenden.

• Klare VLAN-Namenskonventionen festlegen: Verwenden Sie beschreibende Namen wie „VLAN_Production_101“ oder „VLAN_Management_200“, um die Verwaltung und Fehlerbehebung zu vereinfachen.

  
  

5.2 Konfigurationsempfehlungen

• Verwendung des Standard-VLANs einschränken: Deaktivieren Sie VLAN 1 oder beschränken Sie es auf nicht kritischen Datenverkehr, um Sicherheitsrisiken zu vermeiden. Verschieben Sie beispielsweise alle Produktionsgeräte in ein benutzerdefiniertes VLAN (z. B. VLAN 100).

• Aktivieren Sie VLAN-Pruning: Reduzieren Sie die Bandbreitenauslastung der Trunk-Verbindungen, indem Sie unnötigen VLAN-Datenverkehr entfernen. Beschränken Sie beispielsweise in einer Umgebung mit mehreren Switches die Übertragung von irrelevantem VLAN-Datenverkehr auf Edge-Switches.

• Optimieren Sie geschäftskritische Dienste durch QoS-Richtlinien: Konfigurieren Sie hohe Prioritäten für Sprach-VLANs oder Echtzeitdaten-VLANs, um eine geringe Latenz sicherzustellen. Beispielsweise sollte bei der Fernüberwachung das Sprach-VLAN eine höhere Priorität haben als das normale Daten-VLAN.

• Überprüfen Sie regelmäßig die VLAN-Konfiguration: Überprüfen Sie monatlich die VLAN-Zuweisungen und Zugriffsrichtlinien, um sicherzustellen, dass keine Redundanzen oder Fehlkonfigurationen vorliegen. Die Geräte von Wavetel IoT unterstützen die Konfiguration von Sicherungs- und Wiederherstellungsfunktionen, um Konfigurationsfehler schnell beheben zu können.

  
  

5.3 Lösung häufiger Probleme

• Kommunikationsprobleme zwischen VLANs: Konfigurieren Sie die Routing zwischen VLANs über einen Layer-3-Switch oder Router und beschränken Sie die Kommunikation mithilfe von ACLs. In einer intelligenten Fabrik kann beispielsweise eine begrenzte Kommunikation zwischen dem Produktionslinien-VLAN und dem Verwaltungs-VLAN über einen Router realisiert werden.

• Leistungsengpässe: Überprüfen Sie, ob das VLAN zu viele Switches durchläuft, was zu Verzögerungen führt, und optimieren Sie die Trunk-Link-Konfiguration. Stellen Sie beispielsweise sicher, dass die Trunk-Ports des Core-Switches über ausreichende Bandbreite verfügen.

• Konfigurationsfehler: Nutzen Sie die Konfigurationssicherungsfunktion des Wavetel IoT-Routers, um die VLAN-Konfiguration regelmäßig zu speichern und bei Fehlern schnell wiederherzustellen. Der WR575 unterstützt beispielsweise eine One-Click-Wiederherstellungsfunktion, um Ausfallzeiten zu reduzieren.

6. Ausblick: Die Entwicklung von VLANs in Industrie 5.0

Mit der Entwicklung des industriellen Internets hin zu Industrie 5.0 wird die VLAN-Technologie in den folgenden Bereichen weiterentwickelt, um intelligentere und dynamischere industrielle Netzwerke zu unterstützen:

• Integration mit zeitkritischen Netzwerken (TSN): VLANs werden mit TSN kombiniert, um deterministische Netzwerkübertragungen zu unterstützen und die Anforderungen von Industrie 5.0 an extrem niedrige Latenzzeiten zu erfüllen. Beispielsweise können TSN und VLAN in kollaborativen Robotersystemen die vorrangige Übertragung von Echtzeit-Steuerungsdaten gewährleisten.

• Unterstützung einer dynamischeren VLAN-Zuweisung: Die dynamische VLAN-Zuweisung auf Basis von KI und maschinellem Lernen wird breitere Anwendung finden und sich automatisch an Geräteänderungen anpassen. Beispielsweise können intelligente Fabriken der Zukunft die VLAN-Konfiguration dynamisch an die Produktionsaufgaben anpassen.

• KI-gesteuerte automatische VLAN-Optimierung: KI-Algorithmen analysieren Netzwerkverkehrsmuster und optimieren automatisch die VLAN-Segmentierung und QoS-Einstellungen. In einem Logistiklager kann die KI beispielsweise die dynamische VLAN-Zuweisung an die Bewegungsmuster von AGVs anpassen.

• Zusammenarbeit mit 5G-Industrienetzwerken: VLANs werden tief in 5G-Netzwerke integriert und bieten so ein drahtloses Industrienetzwerk mit hoher Bandbreite und geringer Latenz. In großen Fabriken können 5G und VLAN beispielsweise die Verbindung von Mobilgeräten über mehrere Bereiche hinweg unterstützen.

  
  

Wavetel IoT investiert aktiv in Forschung und Entwicklung, um sicherzustellen, dass seine industriellen Router und Switches die VLAN-Technologie der nächsten Generation unterstützen. Die WR575-Serie unterstützt beispielsweise bereits 5G und Wi-Fi 6 und legt damit den Grundstein für zukünftige TSN- und dynamische VLAN-Anwendungen.

Wavetel IoT investiert aktiv in Forschung und Entwicklung, um sicherzustellen, dass seine industriellen Router und Switches die VLAN-Technologie der nächsten Generation unterstützen. So unterstützt beispielsweise die WR575-Serie bereits 5G und Wi-Fi 6 und legt damit den Grundstein für zukünftige TSN- und dynamische VLAN-Anwendungen.

Fazit

Die VLAN-Technologie bietet durch Netzwerksegmentierung, Datenverkehrsisolierung und verbesserte Sicherheit eine effiziente, zuverlässige und flexible Netzwerklösung für das industrielle Internet der Dinge. Die industriellen Router von Wavetel IoT, wie beispielsweise WR575, WR244 und WR565, lassen sich nahtlos in die VLAN-Technologie integrieren und unterstützen komplexe Netzwerkanforderungen in Bereichen wie intelligente Fertigung, Energie, Automobilindustrie und Umweltschutz. Durch eine sinnvolle Planung und Konfiguration von VLANs können Industrieunternehmen die Netzwerkleistung, Sicherheit und Skalierbarkeit erheblich verbessern. Weitere Informationen zu den Produkten von Wavetel IoT und VLAN-Anwendungen finden Sie unter https://www.waveteliot.com/.