Discrete-Event Simulation for Industrial Automation Networks: Simulation Tool Suitability Analysis

Abstract

Automation networks provide the critical communication infrastructure for industrial systems and often have strict requirements for reliability, determinism and real-time performance. As real-world experiments on these networks can be disruptive, costly and potentially risky, simulation offers an alternative approach by utilizing virtualized and abstract simulation models. Because industrial automation networks are essentially computer networks, discrete-event simulation is the most well-established simulation paradigm for these purposes. However, no purposefully tailored simulation tools are generally available for industrial automation networks, and tools from adjacent domains can have varying levels of support for automation-specific mechanisms and protocols. Therefore, selecting an appropriate simulation tool for a simulation study is critical. The purpose of this thesis was to evaluate the suitability of a simulation tool for the modelling and simulation process of industrial automation networks. The thesis consists of a literature review and a case study. The literature review covers the characteristics and modern trends of industrial automation networks, the principles of network modelling and simulation, and available simulation tools with their respective strengths and limitations. The tools covered in the literature review were OMNeT++, ns-2, ns-3, OPNET, QualNet, GloMoSim, J-Sim, and COOJA. Based on selection criteria and further tool comparison, ns-3 was chosen for the case study due to its detailed modelling approach, configurability, and potential for future research and educational use. The case study examined the modelling and simulation process of the DSA CyberLab automation network located at Tampere University. The aim of the case study was not to develop a complete and high-fidelity simulation environment, but to evaluate the suitability of ns-3 for an industrial automation network use case in practice. The implementation focused on specific case study requirements regarding network structure, subnets, unicast traffic, Layer 2 and Layer 3 multicast traffic, REP redundancy protocol, industrial communication protocols, VLAN implementations, trace-driven traffic generation, visualization capabilities and statistical outputs. Real-world integration possibilities were also mapped but not demonstrated due to the required resources. The results show that ns-3 can effectively implement the required network and subnet structures, and the intended unicast and multicast paradigms. Ns-3 was also capable of visualizing the network behaviour and providing statistical outputs for post-run analysis. While simple trace-driven traffic generation was demonstrated, it revealed possible workload-related limitations. However, limited native support restricted the effective modelling of the REP protocol, industrial communication protocols and VLAN implementations. The case study also showed that ns-3 requires considerable programming, networking, and tool-specific knowledge. Industrial automation use cases may also require extensive customization effort due to limited native support. Overall, ns-3 can be considered a viable and extensible tool that is moderately suitable for modelling and simulating industrial automation networks. However, the suitability depends heavily on the specific use case. Ns-3 can be especially suitable for IT and higher-level OT segments where wireless, Ethernet and IP-based abstractions are reasonable. By contrast, lower-level OT segments may require substantial customization effort or a narrower study scope due to diverse automation-specific mechanisms and wired protocols. Modern industrial trends may increase the suitability of ns-3, as well-supported IT features are increasingly common on the OT side as well. Future work should focus on improving the fidelity and analytical value of the case study implementation. Real-world integration setups and traffic generation from external sources could also provide relevant topics for future research.

Automaatioverkot tarjoavat kriittisen viestintäinfrastruktuurin teollisuuden järjestelmille, ja niille asetetaan usein tiukkoja vaatimuksia luotettavuuden, deterministisyyden ja reaaliaikaisuuden suhteen. Käytännön kokeet näissä verkoissa voivatkin aiheuttaa häiriöitä, kuluja ja mahdollisia riskitilanteita. Simulointi tarjoaa vaihtoehtoisen tutkimusmenetelmän virtuaalisten ja abstraktien simulointimallien avulla. Koska teollisuuden automaatioverkot ovat luonteeltaan tietokoneverkkoja, on diskreetti tapahtumapohjainen simulointi vakiintunein simulointimenetelmä niiden tutkimiseen. Teollisuuden automaatioverkoille suunnattuja simulointityökaluja ei ole kuitenkaan yleisesti saatavilla, ja lähialojen simulointityökalujen tuki automaatioverkkojen mekanismeille ja protokollille vaihtelee. Sopivan simulointityökalun valinta onkin keskeinen osa simulointitutkimusta. Tämän työn tavoitteena oli arvioida simulointityökalun soveltuvuutta teollisuuden automaatioverkkojen mallinnukseen ja simulointiin. Työ koostuu kirjallisuuskatsauksesta sekä tapaustutkimuksesta. Kirjallisuuskatsauksessa tutkittiin teollisuuden automaatioverkkojen ominaispiirteitä ja kehityssuuntia, verkkomallinnuksen ja -simuloinnin perusperiaatteita sekä saatavilla olevien simulointityökalujen vahvuuksia ja rajoitteita. Työssä tutkittuja työkaluja olivat OMNeT++, ns-2, ns-3, OPNET, QualNet, GloMoSim, J-Sim ja COOJA. Valintakriteerien sekä työkaluvertailun perusteella tapaustutkimuksen työkaluksi valittiin ns-3. Valintaa tukivat kyseisen työkalun yksityiskohtainen mallinnustapa, muokattavuus sekä potentiaali tulevaisuuden tutkimus- ja opetuskäyttöön. Tapaustutkimuksessa tutkittiin Tampereen yliopistolla sijaitsevan DSA CyberLab -automaatioverkon mallinnus- ja simulointiprosessia. Tavoitteena ei ollut toteuttaa valmista simulointiympäristöä, vaan arvioida ns-3-työkalun soveltuvuutta käytännön verkkomallinnukseen ja -simulointiin. Toteutuksessa keskityttiin verkon rakenteeseen, aliverkkoihin, unicast-liikenteeseen, toisen ja kolmannen OSI-kerroksen multicast-liikenteeseen, REP-redundanssiprotokollaan, teollisuuden viestintäprotokolliin, VLAN-toteutuksiin, verkkonauhoituksiin perustuvaan liikenteen generointiin, visualisointiin ja tilastollisten tulosten tuottamiseen. Myös mahdollisia integrointitapoja todellisten verkkojen kanssa kartoitettiin, mutta niitä ei demonstroitu vaadittujen resurssien vuoksi. Tulokset osoittavat, että ns-3 kykenee tehokkaasti toteuttamaan tarvittavat verkko- ja aliverkkorakenteet sekä unicast- ja multicast-liikenteen. Lisäksi ns-3 pystyy visualisoimaan verkon käyttäytymistä ja tuottamaan tilastollisia tuloksia jälkianalyysiä varten. Vaikka verkkoliikenteen generoiminen verkkonauhoitusten pohjalta osoittautui mahdolliseksi, paljasti yksinkertainen demonstraatio mahdollisia työkuormaan liittyviä rajoitteita. Puutteellinen natiivi tuki rajoitti kuitenkin selvästi REP-protokollan, teollisuuden viestintäprotokollien ja VLAN-toteutusten tehokasta mallintamista. Tapaustutkimus osoitti myös, että ns-3-työkalun käyttö edellyttää huomattavaa ohjelmointi- ja tietoverkko-osaamista sekä työkalukohtaista tuntemusta. Teollisuuden käyttökohteet saattavat myös vaatia merkittäviä määriä tapauskohtaista räätälöintiä rajallisen natiivin tuen vuoksi. Kokonaisuudessaan ns-3 on käyttökelpoinen ja laajennettava työkalu, joka soveltuu kohtalaisesti teollisuuden automaatioverkkojen mallinnukseen ja simulointiin. Soveltuvuus riippuu kuitenkin olennaisesti käyttökohteesta. Ns-3 soveltuu erityisesti IT- ja korkeamman tason OT-verkkoihin, joissa langattomat sekä Ethernet- ja IP-pohjaiset abstraktiot ovat käytännöllisiä. Matalamman tason OT-verkot voivat sen sijaan sisältää mekanismeja ja langallisia protokollia, jotka vaativat huomattavaa räätälöintiä tai rajatumpaa tutkimusaluetta. Teollisuuden kehityssuunnat voivat kuitenkin parantaa ns-3-työkalun soveltuvuutta, sillä sen tukemat IT-ominaisuudet yleistyvät jatkuvasti myös OT-ympäristöissä. Tulevaisuuden kehitystyön tulisi keskittyä nykyisen toteutuksen tarkkuuden ja analyysiarvon parantamiseen. Todellisen verkon integrointi sekä verkkoliikenteen tuottaminen ulkoisista lähteistä tarjoavat myös oleellisia tutkimusaiheita jatkokehitykselle.