DNP3 là gì? Cách thức hoạt động của giao thức DNP3 là gì?

DNP3 là một giao thức truyền thông được sử dụng phổ biến trong hệ thống tự động hóa đặc biệt là trong ngành điện và nước. DNP3 cung cấp một cơ chế mạnh mẽ để thu thập, giám sát và điều khiển thiết bị từ xa. Với những đặc điểm và khả năng của nó, DNP3 đã trở thành một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa và quản lý năng lượng. Cùng Việt Tuấn tìm hiểu chi tiết về giao thức DNP3 qua bài viết dưới đây nhé!

1. DNP3 là gì?

DNP3 (Distributed Network Protocol 3) là một giao thức truyền thông giữa các thiết bị master (thiết bị thu thập dữ liệu) và các phần tử ở hiện trường. Giao thức DNP3 là một giao thức mở được sử dụng phổ biến trong ngành điện và nước. Nó cho phép truyền thông từ xa trong mạng SCADA để kiểm soát các thiết bị công nghiệp và có tính năng bảo mật.

DNP3 được thiết kế dựa trên mô hình đối tượng, giúp giảm công việc chuyển đổi trạng thái của dữ liệu để truyền thông qua mạng. Điều này làm cho DNP3 nổi bật và không tạo ra sự khác biệt lớn trong việc giám sát trạng thái hoặc điều khiển so với các giao thức khác.

Tham khảo thêm các thông tin về giao thức mạng qua bài viết: Protocol là gì? Kiến thức, các loại giao thức mạng Protocol

2. Các tính năng quan trọng của giao thức DNP3

• Hỗ trợ cấu trúc Master-Slave: Giao thức DNP3 cho phép sử dụng kiến trúc Master-Slave, trong đó một thiết bị chủ (Master) có thể điều khiển và giám sát nhiều thiết bị phục vụ (Slave).
• Hỗ trợ nhiều Master: DNP3 cho phép sử dụng nhiều thiết bị chủ (Master) để thực hiện giao tiếp, giúp tăng tính linh hoạt và khả năng mở rộng của hệ thống.
• Giao thức chuẩn mở: DNP3 là một giao thức mở, được hỗ trợ bởi nhiều nhà sản xuất thiết bị. Điều này giúp đảm bảo tính tương thích và sự linh hoạt trong việc triển khai và tích hợp các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau.
• Truyền thông từ xa: DNP3 cho phép truyền thông từ xa, giúp quản lý và điều khiển các thiết bị công nghiệp từ xa, điều này rất hữu ích trong mạng SCADA.
• Được sử dụng trong mạng SCADA: Giao thức DNP3 có thể được sử dụng ở bất kỳ vị trí nào trong mạng SCADA, chẳng hạn như trong PLC hoặc các thành phần khác trong hệ thống SCADA.
• Hỗ trợ nhiều thiết bị: DNP3 có khả năng truy cập hàng ngàn thiết bị trên một kết nối duy nhất, cho phép quản lý và giám sát một lượng lớn thiết bị trong hệ thống.

3. DNP3 hoạt động như thế nào?

Giống như nhiều giao thức truyền thông công nghiệp khác, DNP3 hoạt động dựa trên mô hình Master/Slave, trong đó các thiết bị Slave được gọi là "trạm ngoài". Trong hệ thống này, thiết bị Master thường là một máy tính được đặt tại trung tâm điều khiển của hệ thống, trong khi các trạm ngoài là các thiết bị từ xa như đồng hồ đo, RTU, PLC, IED hoặc máy tính được đặt tại các trạm biến áp hoặc các vị trí khác. Tìm hiểu thêm thông tin về PLC qua bài viết: PLC là gì? Vai trò cùa chức năng của PLC

Trong mối quan hệ này, các thiết bị Master phát ra các lệnh cho các trạm ngoài, ví dụ như khởi động động cơ, thay đổi mức điện áp, truyền dữ liệu đã ghi lại hoặc đóng bộ ngắt mạch. DNP3 cũng cho phép các trạm ngoài khởi tạo giao tiếp với các thiết bị Master trong một số trường hợp cụ thể.

DNP3 sử dụng mô hình hướng đối tượng và sử dụng một thư viện chứa hơn 65.000 đối tượng phổ biến, được xác định trước để đảm bảo giao tiếp đáng tin cậy. Cả thiết bị Master và trạm ngoài đều sử dụng cùng một thư viện đối tượng để trao đổi thông tin. Các đối tượng có thể được đọc, ghi hoặc cả hai.

Nhiệm vụ của trạm ngoài là thu thập dữ liệu và trả lời cho Master. Câu trả lời từ trạm ngoài có thể thuộc một trong năm loại:

• Giá trị đầu vào nhị phân: Chỉ ra trạng thái của thiết bị (ví dụ: BẬT hoặc TẮT).
• Giá trị đầu vào tương tự: Biểu thị các đại lượng được đo bằng trạm ngoài như điện áp, dòng điện, nhiệt độ, độ ẩm hoặc các biến khác.
• Giá trị đếm tăng dần của đầu vào bộ đếm: Ví dụ như kWh hoặc số lần quay vòng của máy bơm. Chức năng này giống như một đồng hồ đếm, nó tăng dần đến giá trị tối đa trước khi quay trở về 0.
• Đầu ra Điều khiển: Điều khiển các điểm bật/tắt vật lý hoặc ngắt/đóng.

Đầu ra tương tự xác định các đại lượng tương tự vật lý có thể được sử dụng cho các điểm định.

Điều quan trọng là giao thức DNP3 cho phép truyền thông đa chiều giữa các thiết bị Master và trạm ngoài, tạo ra sự giao tiếp hiệu quả trong hệ thống SCADA và các ứng dụng công nghiệp khác.

4. DNP3 có thể xử lý các mối đe dọa nào?

DNP3 có khả năng xử lý các mối đe dọa:

• Ngăn chặn giả mạo: Trong mạng công nghiệp, việc giả mạo có thể xảy ra bằng cách mạo danh người dùng hoặc thiết bị. DNP3 có khả năng phát hiện và ngăn chặn các hành vi giả mạo này.
• Bảo vệ tính toàn vẹn dữ liệu: DNP3 có khả năng ngăn chặn các tin nhắn bị thay đổi trong quá trình truyền. Nó có khả năng nhận diện đúng các tin nhắn và truyền chúng lại vào thời điểm thích hợp, đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu.
• Bảo vệ thông tin riêng tư: DNP3 đảm bảo bảo vệ các tin nhắn riêng tư hoặc bí mật trong quá trình truyền. Điều này đảm bảo rằng thông tin nhạy cảm không bị tiết lộ cho những người không có quyền truy cập.

5. Lợi ích khi sử dụng giao thức DNP3

• Giao thức mở: DNP3 là giao thức mở, cho phép sử dụng thiết bị từ nhiều nhà cung cấp khác nhau trong cùng một hệ thống, mở rộng quy mô và tùy chỉnh giải pháp theo yêu cầu riêng.
• Ghi nhãn thời gian dữ liệu: Dữ liệu quan trọng được ghi lại theo sự kiện hoặc dựa trên sự kiện, có thể lưu trữ để tra cứu sau hoặc bù đắp khoảng trống do mất kết nối, giúp tạo báo cáo chính xác, dự báo bảo trì và phân tích nguyên nhân.
• Không yêu cầu báo cáo: DNP3 cho phép các trạm ngoài liên lạc với trạm chủ mà không cần yêu cầu truy vấn thông tin, gửi thông tin quan trọng dễ dàng và nhanh chóng, tăng cường hiệu quả hoạt động.
• Phân loại dữ liệu: DNP3 cho phép phân loại dữ liệu thành các "lớp" khác nhau, ưu tiên thông tin quan trọng và tinh chỉnh tốc độ báo cáo để giảm tác động lên băng thông mạng.
• Truy cập dễ dàng vào thông tin lịch sử và thời gian thực: DNP3 cho phép người vận hành truy cập dễ dàng vào thông tin lịch sử và thời gian thực như điện áp, điều kiện môi trường, mức pin và dữ liệu cơ bản khác, giúp phát hiện và khắc phục sự cố từ xa.
• Tích hợp linh hoạt: DNP3 dễ dàng tích hợp với các hệ thống và thiết bị khác, hoạt động trên nhiều giao thức truyền thông như giao thức nối tiếp và TCP/IP.
• Độ tin cậy cao: DNP3 được thiết kế để đảm bảo độ tin cậy cao trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, hỗ trợ khôi phục sau sự cố, chống lại mất kết nối và xử lý lỗi.
• Chất lượng và nhất quán trong giao tiếp: DNP3 đảm bảo chất lượng và độ nhất quán trong quá trình giao tiếp giữa các thiết bị, đảm bảo dữ liệu được truyền đi một cách đáng tin cậy.
• Truyền tải dữ liệu theo yêu cầu: Dữ liệu chỉ được truyền đi khi có sự thay đổi, tiết kiệm băng thông và tăng hiệu suất truyền thông.
• Giao tiếp đa chủ đa thiết bị: DNP3 hỗ trợ giao tiếp giữa nhiều chủ điều khiển và nhiều thiết bị khác nhau.
• Mở rộng địa chỉ PLC: Giao thức DNP3 cho phép mở rộng địa chỉ của PLC, tăng khả năng kết nối và quản lý các thiết bị trong hệ thống.
• Truyền tải thông điệp lớn: DNP3 hỗ trợ truyền tải thông điệp lớn, đảm bảo khả năng truyền dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả.
• Cấu hình từ xa: DNP3 cho phép cấu hình PLC từ xa, tiết kiệm thời gian và công sức trong việc cài đặt và quản lý thiết bị.
• Ứng dụng trong môi trường nhiễu: Giao thức DNP3 có khả năng chịu được nhiễu, giúp nó được sử dụng trong các môi trường có nhiều tác động nhiễu.

Tìm hiểu thêm: TCP/IP là gì?

6. Hạn chế của DNP3 là gì?

• Thiếu tính bảo mật: Tin nhắn trong giao thức DNP3 được truyền dưới dạng văn bản rõ ràng, không được mã hóa, dẫn đến mức độ bảo mật thấp hơn. Điều này có thể tạo điều kiện cho việc xâm nhập và giả mạo dữ liệu.
• Thiếu tính toàn vẹn dữ liệu: DNP3 không có tính năng kiểm tra tính toàn vẹn của tin nhắn, do đó các lỗi trong tin nhắn có thể không được phát hiện chính xác. Điều này có thể gây ra sự mất mát hoặc biến đổi không mong muốn của dữ liệu.
• Thiếu xác thực: Giao thức DNP3 không yêu cầu xác thực thích hợp cho việc truyền thông. Điều này có nghĩa là tất cả các tin nhắn được truyền hoặc liên lạc mà không có quá trình xác thực, có thể tạo điều kiện cho việc giả mạo và tấn công từ các nguồn không mong muốn.

7.Lịch sử ra đời của giao thức DNP3

Giao thức DNP3 được phát triển vào năm 1990 bởi Westronic (hiện nay là GE Harris) và được xuất bản vào năm 1993. Vào thời điểm đó, tiêu chuẩn IEC 60870-5 đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là các phiên bản IEC 60870-5-101 và IEC 60870-5-104 cho giao tiếp điểm-điểm và giao tiếp TCP. 

Mặc dù DNP3 không được tiêu chuẩn hóa như IEC 60870-5, nhưng nó trở nên rất phổ biến ở Hoa Kỳ và Châu Á. Tuy nhiên, ở Châu Âu, tiêu chuẩn IEC 60870-5 vẫn được ưu tiên sử dụng hơn DNP3.

Tạm kết

Giao thức DNP3 là một giao thức truyền thông công nghiệp được sử dụng rộng rãi trong việc quản lý, kiểm soát và giám sát các hệ thống năng lượng và công nghiệp. Với tính chất mở, khả năng ghi nhãn thời gian, truy cập dễ dàng vào dữ liệu lịch sử và thời gian thực, cùng với tính linh hoạt và độ tin cậy cao, DNP3 đóng vai trò quan trọng trong cải thiện hiệu suất và quản lý hệ thống công nghiệp.