industrial-network-design

name	industrial-network-design
description	Concevoir, dimensionner et diagnostiquer les réseaux Ethernet industriels.
version	1.0.0
author	EVA
license	Privée EVA St-Étienne
platforms	["linux","macos","windows"]
metadata	{"EVA":{"tags":["profinet","profinet-irt","profinet-rt","ethernet-ip","cip","modbus-tcp","profibus","network-design","ring-topology","dlr","mrp","lldp","snmp","industrial-switch","stratix","scalance","hirschmann","moxa","tsn","time-sensitive-networking","qos","vlan-industrial","iec-62443-3","cell-area-zone","ot-network","wireshark-industrial","industrial-firewall"],"related_skills":["industrial-protocols","industrial-networks-ot","cybersecurity-iec62443","plc-connectivity","sparkplug-b"]}}

Conception de Réseaux Industriels

Vue d'ensemble

Les réseaux Ethernet industriels sont le système nerveux de l'usine connectée. Contrairement aux réseaux IT, ils imposent :

• Déterminisme — Latence bornée et répétable pour le contrôle
• Redondance — MRP, DLR, PRP, HSR pour une disponibilité continue
• Robustesse — EMI, température, vibrations, chocs
• Sécurité — Zones, conduits (IEC 62443-3), segmentation OT/IT
• Convergence — IT/OT convergence avec TSN et 5G privée

Quand l'utiliser

À utiliser lorsque l'utilisateur demande :

• De concevoir un réseau Ethernet pour une nouvelle usine ou ligne de production
• De diagnostiquer des problèmes de performance réseau (latence, perte de paquets)
• De configurer des switches industriels (Stratix, Scalance, Hirschmann, Moxa)
• De paramétrer des protocoles de redondance (MRP, DLR, PRP, HSR)
• De planifier des VLAN et QoS pour le trafic temps réel
• De configurer des pare-feux OT avec zones et conduits
• De capturer et analyser le trafic réseau industriel (Wireshark)

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1. Protocoles Ethernet Industriels

1.1 PROFINET

PROFINET RT (Real-Time) — Latence typique < 1 ms

• Standard RT — Cycle 1–10 ms (TCP/IP stack)
• IRT (Isochronous Real-Time) — Cycle 31.25 µs–1 ms, matériel FPGA/ASIC
• TSN-ready — PROFINET over TSN (802.1Qbv, 802.1AS)

PROFINET	RT (Real-Time)	IRT (Isochronous RT)
Cycle time	≥ 1 ms	≥ 31.25 µs
Jitter	< 1 µs	< 1 µs
Application	Standard automation	Motion control, drives
Hardware	Switch standard	Switch+ASIC support

MRP (Media Redundancy Protocol) — IEC 62439-2 :

• Topologie anneau, reconnexion < 200 ms
• MRM (Ring Manager) + MRC (Ring Client)
• Pour PROFINET RT uniquement (pas IRT)

# Découverte PROFINET via DCP (Discovery and Configuration Protocol)
response = send_dcp_request(
    command="IDENTIFY_REQUEST",
    interface="eth0",
    timeout=2.0
)
devices = parse_dcp_response(response)
for device in devices:
    print(f"Device: {device['name']}, IP: {device['ip']}, MAC: {device['mac']}")

1.2 EtherNet/IP

CIP (Common Industrial Protocol) sur Ethernet :

• Implicit messaging — I/O data, cycle 1–50 ms, UDP (port 2222)
• Explicit messaging — Configuration/diagnostic, TCP (port 44818)
• CIP Sync — Precision Time Protocol (IEEE 1588) pour synchronisation
• CIP Motion — Drive synchronization over EtherNet/IP

DLR (Device Level Ring) — Redondance en anneau :

• Reconnexion < 3 ms (beacon-based)
• Compatible avec les switches non-manageables (anneau à base de superviseur)
• Supervisors (active/backup), participants, non-participants

# Découverte EtherNet/IP via List Identity
identity = send_enip_command(
    command="LIST_IDENTITY",
    destination="192.168.1.100"
)
print(f"Vendor: {identity['vendor']}")
print(f"Device Type: {identity['device_type']}")
print(f"Serial: {identity['serial']}")
print(f"IP: {identity['ip']}")

1.3 Modbus TCP

• Port : 502
• Pas de QoS natif — Convient pour supervision non-temps réel
• Topologies : Étoile, ligne (avec switches non-manageables)
• Performance : Cycle 10–100 ms, pas de déterminisme garanti

1.4 PROFIBUS DP

• RS-485 à 12 Mbps max
• Topologie : Bus linéaire avec répéteurs
• Segment max : 100 m à 12 Mbps, 1200 m à 93.75 kbps
• Maître (Classe 1 : contrôleur, Classe 2 : outil)
• Esclaves jusqu'à 126

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2. Topologies Réseau

2.1 Étoile

         ┌──────────┐
         │  Switch   │
         │  Central  │
         └────┬─────┘
     ┌────────┼────────┐
     │        │        │
   PLC-1    PLC-2    HMI-1

Avantages : Simple, facile à diagnostiquer Inconvénients : Point de défaillance unique Usage : Petites cellules, îlots non-critiques

2.2 Anneau (Ring)

    PLC-1 ──── Switch1 ──── Switch2
      │                      │
      │                      │
    PLC-4 ──── Switch4 ──── Switch3

Redondance :

• MRP : ≤ 50 switches, reconnexion < 200 ms (PROFINET)
• DLR : ≤ 50 nœuds, reconnexion < 3 ms (EtherNet/IP)
• RSTP : IEEE 802.1w reconnexion < 2 s

2.3 Arbre (Tree)

              ┌────────┐
              │  Core   │
              └───┬────┘
         ┌────────┼────────┐
     ┌───┴───┐┌───┴───┐┌───┴───┐
     │Switch 1││Switch 2││Switch 3│
     └───────┘└───────┘└───────┘

2.4 PRP (Parallel Redundancy Protocol) — IEC 62439-3

       ┌────────────────┐
       │   LAN A (Eth)  │
   ┌───┴───┐        ┌───┴───┐
   │ DAN-A │────────│ DAN-B │
   └───┬───┘  PRP   └───┬───┘
       │   LAN B (Eth)   │
       └────────────────┘

• Zero switchover — Paquets dupliqués sur deux réseaux
• Dan (Doubly Attached Node) — Nœud avec deux interfaces

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3. Conception d'Adressage IP et Segmentation

3.1 Plan d'adressage recommandé par cellule

Segment	Plage IP	Usage
Cell 1 – Automation	10.50.1.0/24	PLC, HMI, drives, I/O
Cell 1 – Supervision	10.50.2.0/24	SCADA, OPC, historiens
Cell 1 – Cameras	10.50.10.0/24	Vision, inspection
Cell 2 – Automation	10.50.3.0/24	PLC, HMI, drives, I/O
OT – Services	10.50.250.0/24	Engineering, DHCP, DNS
OT – DMZ	10.50.254.0/24	Historien bridges, firewall
IT – Corporate	172.16.0.0/16	Bureau, ERP, MES

3.2 VLAN et QoS

VLAN recommandés par type de trafic :

VLAN ID	Type	Priorité DSCP	Priorité 802.1p
10	Automation (PROFINET RT/IRT)	CS6 (48)	6
20	I/O (EtherNet/IP implicit)	CS5 (40)	5
30	Motion (CIP Sync)	CS6 (48)	6
40	Supervision / HMI	CS3 (24)	3
50	Engineering / OPC	CS2 (16)	2
99	IT / Corporate	—	0

# Exemple de configuration VLAN sur un switch Stratix
switch.configure_vlan(vlan_id=10, name="AUTOMATION", qos_cos=6)
switch.configure_vlan(vlan_id=20, name="SUPERVISION", qos_cos=3)
switch.configure_trunk(interface="Gi1/1", allowed_vlans=[10, 20, 99], native_vlan=99)
switch.configure_access(interface="Gi1/2", vlan=10)

3.3 Cell/Area Zones (IEC 62443-3-2)

┌────────────────────── IT Enterprise ──────────────────────┐
│  [Zone IT] — ERP, MES, Email, Web                          │
├────────────────────── DMZ ─────────────────────────────────┤
│  [Conduit] — Reverse proxy, Historian bridge, AD sync      │
├────────────────────── OT Zones ────────────────────────────┤
│  ┌──────────────────┐  ┌──────────────────┐               │
│  │ Zone Cell 1      │  │ Zone Cell 2      │               │
│  │ - PLC (S7-1500)  │  │ - PLC (Compact)  │               │
│  │ - HMI (WinCC)    │  │ - HMI            │               │
│  │ - Drives         │  │ - Drives         │               │
│  │ - Vision system  │  │ - Robot (KUKA)   │               │
│  └──────────────────┘  └──────────────────┘               │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │ Zone Services (Engineering)                        │   │
│  │ - Engineering workstations                         │   │
│  │ - TIA Portal / Studio 5000                         │   │
│  │ - OPC UA clients                                   │   │
│  └────────────────────────────────────────────────────┘   │
└───────────────────────────────────────────────────────────┘

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4. Switching Industriel

4.1 Constructeurs et gammes

Constructeur	Gamme	Redondance	Environnement
Cisco Stratix	5400, 5700, 5900	DLR, RSTP, MRP	Industriel (-40 à +60 °C)
Siemens Scalance	XC-200, XR-300, XM-400	MRP, RSTP, PRP	Industriel
Hirschmann	MACH, BOBCAT, OCTOPUS	MRP, RSTP, HIPER-Ring	Industriel, ferroviaire
Moxa	EDS-G, MDS-G, TN	MRP, RSTP, Turbo Ring	Industriel

4.2 Configuration typique Scalance

# Configuration Scalance XC-200 via CLI
scalance.configure_interface(name="Port 1.1", mode="trunk", native_vlan=1)
scalance.configure_mrp(role="manager", vlan=1, timeout=200)
scalance.configure_vlan(vlan_id=10, name="PROFINET_IO")
scalance.configure_vlan(vlan_id=20, name="HMI")
scalance.configure_profinet(role="switch", domain="cell-01")

4.3 VLAN et sécurité portuaire

# Mesures de sécurité de base (IEC 62443-4-2)
switch.configure_port_security(
    interface="Gi1/1",
    max_mac=1,
    violation="shutdown",
    sticky_mac=True
)
switch.configure_dhcp_snooping(vlan=[10, 20, 30])
switch.configure_dynamic_arp_inspection(vlan=[10, 20, 30])
switch.configure_ip_source_guard(vlan=[10, 20, 30])

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5. TSN (Time-Sensitive Networking)

TSN est l'avenir des réseaux industriels convergents. Standards clés :

Standard IEEE	Nom	Fonction
802.1AS	gPTP	Synchronisation horaire < 1 µs
802.1Qbv	TAS	Time-Aware Shaper, fenêtres dédiées trafic temps réel
802.1Qbu/802.3br	Frame Preemption	Interruption paquets longs pour priorité trafic temps réel
802.1CB	Seamless Redundancy	Duplication de paquets, zéro perte
802.1Qci	PSFP	Filtrage et police par flux
802.1Qcc	CUC/UCC	Configuration centralisée des flux TSN

# Configuration TSN simplifiée
tsn_config = {
    "gate": {
        "open_windows": [
            {"start": 0, "duration_us": 500, "traffic_class": "time_critical"},
            {"start": 500, "duration_us": 9500, "traffic_class": "best_effort"}
        ],
        "cycle_time_us": 10000
    },
    "synchronization": {
        "domain": 0,
        "priority": 128,
        "sync_interval_ms": 125
    },
    "streams": [
        {"id": "PROFINET_IRT", "vlan": 10, "max_latency_us": 100},
        {"id": "CIP_MOTION", "vlan": 30, "max_latency_us": 50}
    ]
}

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6. Diagnostic Réseau (Wireshark)

6.1 Filtres Wireshark pour réseaux industriels

# PROFINET
profinet
profinet.dce.suboption == 0x02   # DCP Identify
profinet.rt.frameid == 0x8000    # RT Cyclic data

# EtherNet/IP
enip
enip.cpf.vendor_id == 0x00E1     # Rockwell
enip.command == 0x0063           # List Identity

# Modbus TCP
modbus.tcp
modbus.func_code == 0x03         # Read Holding Registers
modbus.func_code == 0x10         # Write Multiple Registers

# Contrôle qualité
tcp.analysis.flags                # Problèmes TCP (retransmission, dup, window)
icmp || icmpv6                    # Ping / problèmes de connectivité

6.2 Métriques de performance

# Analyse de capture réseau pour latence PROFINET
capture = read_pcap("network_trace.pcapng")
stats = {
    "min_latency_us": capture.filter("profinet.rt").min_latency(),
    "max_latency_us": capture.filter("profinet.rt").max_latency(),
    "avg_latency_us": capture.filter("profinet.rt").avg_latency(),
    "jitter_us": capture.filter("profinet.rt").jitter(),
    "packet_loss_pct": capture.packet_loss_rate(),
    "ring_recovery_ms": capture.filter("mrp").ring_recovery_time(),
    "top_errors": ["TCP Retransmissions", "CRC Errors", "Late Collisions"],
}

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7. Références

• IEC 62443-3-2 Security Zones and Conduits
• PROFINET System Description (PI)
• EtherNet/IP CIP Specification (ODVA)
• IEEE 802.1 TSN Task Group
• Cisco / Rockwell Stratix Configuration Guides
• Siemens Scalance Configuration Manuals
• Hirschmann Networking Guides (Belden)
• IEC 62439-3 PRP/HSR Redundancy