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IEC 60870-5-104 (IEC 104) – Protokollbeschreibung

🧾 Was ist IEC 104?

IEC 60870-5-104, oft einfach IEC 104 genannt, ist ein industrielles Kommunikationsprotokoll zur Fernüberwachung und Fernsteuerung in Energieversorgungsnetzen und industriellen Automatisierungssystemen.

Es ist eine Erweiterung von IEC 60870-5-101 (IEC 101) für den Betrieb über TCP/IP-Netzwerke – also auf Basis von Ethernet statt serieller Kommunikation.

IEC 104 wird häufig eingesetzt in:

  • Leitsystemen von Strom-, Gas-, Wasser- und Fernwärmenetzen
  • Umspannwerken, Kraftwerken, Wind- und PV-Anlagen
  • Industrieanlagen mit dezentraler Fernsteuerung

📦 Technische Merkmale

Merkmal Beschreibung
Standard IEC 60870-5-104
Übertragungsmedium Ethernet / TCP/IP
Transportprotokoll TCP
Standard-Port Port 2404/tcp (offiziell reserviert)
Übertragungsrichtung Bidirektional (Client ↔ Server)
Zeitsynchronisation Möglich über IEC 104 (z. B. durch Zeitstempel)
Sicherheitsfunktionen Im Basisstandard nicht vorgesehen (siehe unten)
OSI-Modell-Zuordnung Layer 1–4 durch TCP/IP, Layer 7 durch IEC 104
Datenmodell Informationsobjekte (IOA) mit Typkennung (Type ID)
Typischer Dateninhalt Zustände, Analogwerte, Steuerbefehle, Messwerte, Zählerstände

🧠 Funktionsweise

IEC 104 arbeitet nach dem Client-Server-Prinzip.
Typisch sind:

  • Control Center (SCADA) → Client
  • RTU / Substation Controller → Server

Der Client (z. B. ein Leitsystem) stellt eine Verbindung zum Server her und fordert Zustandsdaten an oder sendet Steuerbefehle.
Die Kommunikation basiert auf sogenannten ASDUs (Application Service Data Units) – standardisierte Telegramme mit klarer Struktur.

Datenarten (ASDU-Typen)

IEC 104 definiert verschiedene Typkennungen (Type ID), u. a.:

Type ID Beschreibung
1 Einzelpunktinformation (binär)
3 Einzelpunkt mit Zeitstempel
9 Messwert (Analogwert, 16 Bit)
13 Zählerwert
45 Steuerbefehl (Ein-Aus)
48 Steuerbefehl mit Zeitverzögerung

Ein Objekt hat eine sogenannte IOA (Information Object Address), also eine Adresse im Datenmodell (z. B. 10001 für eine bestimmte Leitungsschaltung).


📡 Verbindungsaufbau & Kommunikation

1. TCP-Verbindung

Der IEC-104-Client baut eine TCP-Verbindung auf Port 2404 zum Server auf.
Sobald diese steht, beginnt der Protokollaustausch.

2. Startdatenübertragung (StartDT)

Der Client sendet STARTDT_ACT, der Server antwortet mit STARTDT_CON.
Erst danach beginnt der Austausch von ASDUs.

3. Datenaustausch (I-Frames)

Die Übertragung erfolgt über:

  • I-Frames (Information Frames): Nutzdaten wie Messwerte oder Steuerbefehle
  • S-Frames (Supervisory Frames): Quittierung, Flusskontrolle
  • U-Frames (Unnumbered Frames): Verbindungssteuerung (z. B. StartDT, StopDT)

4. Spontanübertragung

IEC 104 erlaubt spontane Telegramme, d. h. ein Gerät meldet Ereignisse, ohne dass sie aktiv abgefragt wurden.


📶 IEC 104 im OSI-Modell

IEC 104 belegt folgende Schichten im OSI-Modell:

OSI-Layer Protokoll
7 IEC 104 ASDU
6 – (nicht verwendet)
5 – (nicht verwendet)
4 TCP
3 IP
2 Ethernet
1 Physikalisches Medium (z. B. Kupfer, Glasfaser)

🧱 Sicherheit – oder besser: fehlende Sicherheit

IEC 104 war nicht für offene Netzwerke gedacht – daher fehlen viele Sicherheitsfunktionen:

  • Keine Authentifizierung
  • Keine Verschlüsselung
  • Kein Schutz vor Man-in-the-Middle oder Replay-Angriffen
  • Telegramme können mit Tools wie Wireshark leicht analysiert und manipuliert werden

Mögliche Schutzmaßnahmen:

  • Segmentierung (z. B. DMZ, VLANs)
  • VPN-Tunnel oder TLS-Gateways zur Absicherung der TCP-Verbindung
  • Firewalls mit Protokollfilter (z. B. DPI für IEC 104)
  • IEC 62351 als Erweiterung für sichere Kommunikation (TLS, Zertifikate, Signaturen)

✅ Vorteile von IEC 104

  • Weit verbreitet im Energiebereich (Strom, Gas, Wasser)
  • Kompatibel mit moderner IP-basierter Infrastruktur
  • Spontanmeldung von Ereignissen spart Bandbreite
  • Einfache Integration in SCADA-Systeme

⚠ Nachteile / Herausforderungen

  • Keine eingebauten Sicherheitsfunktionen
  • Kein automatisches Redundanzmanagement
  • Veraltet gegenüber moderner Protokolle wie IEC 61850
  • Aufwendig bei Integration in moderne Cloud-/IoT-Architekturen

Fazit

IEC 104 ist ein bewährtes Protokoll zur Fernüberwachung und -steuerung technischer Anlagen in der Energiewirtschaft.
Trotz seines Alters ist es noch weit verbreitet – insbesondere in kritischen Infrastrukturen.

Sicherheit muss allerdings extern ergänzt werden, da das Protokoll keinerlei Schutzmechanismen bietet. In modernen Anlagen wird deshalb zunehmend auf IEC 62351, VPN-Tunnel und Netzwerksegmentierung gesetzt.


Hinweis:
Zur Analyse und zum Testen von IEC 104 können Tools wie Wireshark, Scapy, OpenMUC j60870, KEMA RTU-Testtools oder spezielle IEC 104 Fuzzer verwendet werden.