IT/OT-Konvergenz Ist das Purdue-Modell noch zeitgemäß?

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Das Purdue-Modell sieht eine hierarchische Struktur für die industrielle Kommunikation vor, um Rechner und Netzwerke deterministisch zu halten. Im Zeitalter des IIoT ist der Datenfluss jedoch nicht mehr hierarchisch. Sollten sich Unternehmen nun von dem Purdue-Modell verabschieden?

Die in den 1990er Jahren entwickelte Purdue Enterprise Reference Architecture (PERA) ist ein Referenzdatenfluss-Strukturmodell für die Sicherheit industrieller Steuerungssysteme (ICS) in Bezug auf physikalische Prozesse, Sensoren, Überwachungssteuerungen, Betrieb und Logistik. Hierzu wird die ICS-Architektur in zwei Zonen unterteilt: die Information Technology (IT) und Operation Technology (OT). Wobei sich diese Zonen nochmals in verschiedene Levels aufsplitten. Dazwischen liegt die sogenannte Industrial Demilitarized Zone (iDMZ) des Levels 3.5, um den Zugriff zwischen den IT- und OT-Zonen zu trennen und zu kontrollieren.

Referenzarchitektur des Purdue-Modells

Mit der Implementierung schließt das Purdue-Modell die Lücke zwischen OT- und IT-Systemen. Es bietet einen Rahmen für die Segmentierung industrieller Steuerungs-Systemnetzwerke von Unternehmens-Netzwerken und dem Internet.

Level 0 – Physikalischer Prozess

Der eigentliche Prozess findet hier statt. Die Geräte in dieser Ebene wie beispielsweise Sensoren, Pumpen, Motoren und Ventile werden auch als Equipment Under Control (EUC) bezeichnet.

Level 1 – Grundlegende Steuerung

Diese Ebene besteht aus Systemen, welche die Geräte auf Level 0 überwachen und Befehle an diese senden, einschließlich Prozess-Sensoren, Analysatoren, Aktoren und zugehöriger Instrumente. Es handelt sich hier im Wesentlichen um die speicherprogrammierbaren Steuerungen (PLCs), Remote Terminal Units (RTUs) und intelligente elektronische Geräte (IEDs).

Level 2 – Bereichs-Überwachungssteuerung

In der Ebene 2 befinden sich Geräte, die die Gesamtprozesse innerhalb des Systems steuern, einschließlich Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMAs) und SCADA-Software zur Überwachung und Steuerung physischer Prozesse.

Level 3 – Manufacturing Operations Systems

Dieser Bereich unterstützt die Verwaltung von Produktionsabläufen einschließlich Chargen-Verwaltung, Manufacturing Operations Management/Manufacturing Execution Systems (MOMS/MES) und Data Historians. Die Kommunikation zwischen der Unternehmensebene und der Fertigungsebene erfolgt in der Regel über ein dediziertes Backhaul-Netzwerk zum Haupt-Rechenzentrum und kann bei einer Unterbrechung zu Ausfallzeiten führen, da dies die gesamte Fertigungsanlage betrifft.

Level 3.5 – Industrial Demilitarized Zone (iDMZ)

Hier laufen die IT- und OT-Welt zusammen. Dieser Bereich umfasst Sicherheitssysteme wie Firewalls und Proxys, die verwendet werden, um die IT- und OT-Welt zu trennen. Die iDMZ schafft eine Barriere zwischen den IT- und OT-Netzwerken, bietet begrenzten Zugriff auf ICS-Systeme aus IT-Umgebungen und trägt dazu bei, dass sich Hacker-Angriffe bzw. Viren innerhalb der IT-Umgebung auf OT-Systeme ausbreiten.

Level 4 – Geschäftsplanung/Logistik des Standorts

Auf dieser Ebene befinden sich die Geräte für alle IT-Systeme, welche die Produktionsprozesse unterstützen, einschließlich Datenbankserver, Anwendungsserver (Web, Bericht, MES), Dateiserver, E-Mail-Clients, Supervisor-Desktops usw.

Level 5 – Unternehmensnetzwerk

Die Systeme dieser Ebene sind in der Regel unternehmensweit ausgelegt und können sich über viele Standorte oder Fabriken erstrecken. Sie sammeln Daten aus untergeordneten Systemen und kombinieren sie mit anderen Daten. Produktionspläne, Materialverbrauch, Versand und Lagerbestände werden von ERP-Systemen gesteuert, die auf dieser Ebene residieren.

Bewertung des Purdue-Modells

Das Purdue-Modell der computerintegrierten Fertigung wurde für seine Architektur industrieller Steuerungssysteme zu einem Standard in der Automatisierungswelt. Es hat nicht nur dazu beigetragen, industrielle Kommunikationssicherheit durch die Trennung von einzelnen Ebenen herzustellen, sondern auch zu bestimmen, wie Maschinen und Prozesse funktionieren und interagieren sollten.

Trotz der Bedeutung des Modells ist der Datenfluss im IIoT-Zeitalter nicht mehr derart streng hierarchisch konzipiert, wie im Purdue-Modell vorgeschrieben. Da Sensoren und Aktuatoren (Level 0 des Purdue-Modells) und Steuerungen (Level 1 des Purdue-Modells) um intelligente Funktionen erweitert werden, treten neue Potenziale für die Exposition von Steuerungssystemen auf, als das Purdue-Modell jemals in Betracht gezogen hat.

Mit dem Einsatz des Edge-Computings können riesige Datenmengen auf Level 1 gesammelt, verarbeitet und direkt an eine Cloud gesendet werden, wodurch die hierarchische Struktur der Datenflüsse im Purdue-Modell umgangen wird.

In modernen, digital verbundenen Steuerungs-Architekturen besteht keine Notwendigkeit mehr, Daten durch verschiedene Schichten (des Purdue-Modells) zu leiten. Sensordaten werden auf Level 0 gesammelt und zur vorausschauenden Wartung an die Cloud gesendet. Das Senden von Daten aus Level 0 an Level 5 verstößt direkt gegen die Segmentierungsaspekte des Purdue-Modells. Heutzutage können Daten aus vielen Quellen stammen, was immer breitere Wege für ihre Nutzung eröffnet.

Purdue-Modell also abschaffen?

Im Grunde erfüllt das Purdue-Modell nach wie vor die Segmentierungs-Anforderungen für drahtlose und kabelgebundene Netzwerke und schützt das OT-Netzwerk vor unzulässigem Datenverkehr bzw. Exploits. Dies sind Schlüsselbereiche, die erhalten bleiben müssen, um den kontinuierlichen Produktionsfluss und die Sicherheit der Mitarbeiter zu gewährleisten, die für die Bedienung der Produktionsanlagen zuständig sind.

Es empfiehlt sich daher eine Hybridlösung, die sich in das in die Jahre gekommene Purdue-Modell integriert, um die Segmentierung für traditionelle Instanzen des IT- und OT-Datenflusses aufrechtzuerhalten, aber auch die Flexibilität bietet, die für IIoT-Anwendungsfälle erforderlich sind.

Purdue-Modell mit einer Edge-Computing-Plattform

Dieser hybride Ansatz lässt sich durch das Hinzufügen einer Softwareebene für eine Edge-Computing-Plattform zum Purdue-Modell realisieren. Mit dieser Schicht kann ein industrielles IoT-Projekt auf jedem Level des Purdue-Modells residieren. Eine solche Plattformschicht kann entweder auf Level 2 oder auf Level 3 angesiedelt sein und die Datenerfassung von OT-Geräten auf Level 0, 1, 2 und 3 ermöglichen, während sie gleichzeitig die Datenerfassung von IT-Schichten auf Level 4 und 5 erleichtert.

Der Vorteil dabei ist, dass die traditionellen Hierarchien des Purdue-Modells bei Bedarf umgangen werden können (beispielsweise wenn Sensoren Daten von Level 0 an Level 5 senden), indem die Daten durch die Plattform geleitet werden, um die Kontrolle und Sicherheit zu gewährleisten. Außerhalb des hybriden Modells werden die traditionellen Datenflüsse des Purdue-Modells weitergeführt. Dies geschieht, um sicherzustellen, dass der Durchsatz im Produktionsnetzwerk nicht beeinträchtigt wird und der sichere Betrieb der Produktionsanlagen gewährleistet bleibt.

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