چکیده: لازمه های یک سرویس Industrial Internet of Things یا به اختصار IIOT امن و پایدار یکی از بحث های مهم راه اندازی شبکه های اینترنت اجزاء و ماشین آلات در صنعت می باشد. درصورت برطرف شدن این پیش شرط ها می توان این اطمینان را به وجود آورد که صنایع مختلف بتوانند با اعتماد بیشتر به IIOT بخش های سیستم کنترل و اتوماسیون خود را با استفاده از IIOT پیاده سازی و مزایای آن در بحث صنعت استفاده کنند. در این مطلب به معرفی و بررسی ملاحضات و نیازهای اساسی راه اندازی و پیکره بندی سیستم های مبتنی بر شبکه های IIOT در بحث صنعت می پردازیم.
لازمه های اینترنت اشیاء صنعتی IIOT
مشابه بازار گسترده IOT، بازار IIOT نیاز به گره های ارزان دارد که با تجهزاتی که به راحتی نصب می شوند مانند سیستم های بیسیم، خطوط قدرت و سیم های دوقولی به هم پیچیده(twisted pair) در صنعت کار کنند. این تجهیزات اطمینان همیشگی را برای ارتباط با تجهیزات سنتی انتقال داده ندارند، بنابراین مشکلات تشخیص خطا و اطمینان در کل سیستم IIOT به صورت معمول وجود دارد، اما روند شکست در برقراری ارتباط در IIOT طبعات بدتری به همراه دارد زیرا تمام هزینه های انجام شده با در نظر گرفتن سود حاصل از عملیات های بدون نقص و بدون شکست بوده است.
در این مطلب ابتدا از به صورت کلی نیازهای IIOT را معرفی می کنیم و سپس با جزییات کامل تری به معرفی این نیازها می پردازیم.
درکنار بازار گسترده IOT، برای IIOT دارا بودن سرویس های غنی و پربار بر بستر پروتوکل های IP-based بسیار مهم است که به آن اجازه دهد در تمام گستره کاربردهای IIOT در صنایع مختلف استفاده شود، بنابراین توسعه دهندگان کاربردها می توانند بروی یک دسته از سرویس های برقراری ارتباط زمانی که آن ها درحال پیاده سازی IIOT هستند، حساب کنند. به دلیل نیاز به سرعت زیاد، زمانی که بحث صنعت مطرح می باشد، IIOT باید برطرف کننده نیازهای خیلی ویژه و خاص، کارایی و اطمینان باشد که در بیشتر موارد ولی نه همه موارد باید برآورده شوند. این نیازها در بحث صنعت شامل موارد زیر می باشد:
- مقاومت در زمان مواجه با شکست
- ارتباط فیزیکی
- امنیت
- سرویس های کنترلی
۱. مقاومت در زمان مواجه با شکست
در زمان موجه با شکست نیاز داریم تا هریک از عملیات های زیر به طور صحیح انجام شوند.
بازیابی بسته های اطلاعات: شبکه های جدید بی سیم کم توان و ارتباط های خط نیرو(power line link) که این شبکه ها بروی آن راه اندازی می شوند، پهنای باند بسیار پایینی در مقایسه با ارتباط های اترنت دارد و برخلاف اترنت، این ارتباط ها قابل اطمینان نیستند.
بسته ها ممکن است در مواجه با تداخل و نویز یا حتی برخوردها از بین بروند. وقتی چنین اتفاقی خصوصا به صورت تناوبی پیش بیاید، پهنای باند بیشتری برای انتقال مجدد بسته نیاز است تا بسته از دست رفته را بازیابی کرد. به دلیل محدودیت های بلاردنگ بودن در این سیستم ها، ارسال بسته خارج از محدوده زمان بندی برنامه اهمیتی ندارد یا حتی مطلوب نیست. در چینن شرایطی یک پروتوکل IIOT باید بازیابی بسته را به سرعت با ارسال مجدد آن بسته انجام دهد یا یک پیام شکست در ارسال، بفرستد.
نیازهای بلادرنگ: در داخل یک واحد صنعتی، یک حمل کننده مواد باید یک چیز را رها کند، در یک خط تولید نیمه رساناها، یک حمل کننده ویفر سیلیکون ممکن است برای قرار دادن یک ویفر بروی خط پروب با شکست مواجه شود. دیر رسیدن بسته در بیشتر سیستم های کنترل به معنی شکست در ارتباط است و سودی در دیر رسیدن بسته وجود ندارد.
برای کنارآمدن با این مسئله، شبکه برای ارتباط باید به شیوه ای طراحی شود تا نیازهای بلادرنگ کاربردها برآوده شود. این شبکه ها باید قادر باشند که:
طراحی شبکه به گونه ای باشد که شاخص های زمان پاسخ با محدود کردن تعدا گره های ارتباط برآورده شود و ارتباط به گونه ای باشد که شبکه دارای سربار نشود.
یک تراکنش ارتباطی در یک زمان مشخص چه موفق باشد چه شکست بخورد، این مسئله باید ضمانت شود که شکست و موفقیت این تراکنش برای برنامه مشخص شود.
مقاومت در برابر شکست: یکی از اهداف اصلی کنترل به صورت توزیع شده این است که شکست کل سیستم غیرممکن باشد. طراحی سیستم بدون پیش بینی سیستم پشتیبان یا به اصلاح افزونگی(redundancy) یکی از اهداف اصلی این گونه سیستم ها را با شکست مواجه می کند. بنابراین در صورت استفاده از هرگونه پروتوکل برای برقراری ارتباط، درصورتی که تنها یک لینک ارتباطی برای برقراری ارتباط پیش بینی شده باشد کل سیستم با شکست مواجه شده است.
شبکه قابل اطمینان- تحویل گسترده: در کاربردی که یک پیام باید دریافت شود یا یکی از تجهیزات اصلی نیاز به خاموش شدن دارد، گره ارسال کننده پیام باید یک تاییده دریافت کند تا مشخص شود کل اعضای گروه یا عملگرهای مورد نظر این پیام را دریافت کرده اند. زمانی که مطمئن باشیم پروتوکل ما تحویل گسترده را پشتیبانی می کند این نیاز سیستم برطرف شده است.
سربار پیام: در یک سیستم کنترل، در برخی موارد گره ها با یک رخداد خارجی هماهنگ می شوند که رسیدن یک حجم زیاد از پیام یا در اصطلاح سیل پیام می شود(برای مثال: آتش سوزی در یک پالایشگاه) تمام پیام هایی که رسیده اند مهم نیستند و باید از این حجم زیاد پیام رسیده آن هایی که مهم هستند مورد توجه قرار بگیرند تا مشکل به وجود آمده را حل کنند و برنامه قادر باشد پیام مورد نیاز برای حل مشکل را به سرعت در شبکه پخش کند. برای کنترل این مسئله، پروتوکل باید دارای مکانیسمی باشد که پیام های اضطراری به سرعت در شبکه ارسال شود و از طریق مسیری مناسب به مقصد رسیده و بر این مشکل تاخیر صف پیام های رسیده غلبه کند.
زمان پاسخ گره: بیشتر سیستم های کنترل دارای یک گره نظارتی هستند که وضعیت تمام گره ها را در شبکه می خواند و بروی یک صفحه نمایش وضعیت سلامت سیستم را نشان می دهد. در این عملیات، اگر یک گره خراب شود، کل سیستم نمایش سلامت متوقف می شود تا زمانی که ارتباط با گره خراب شده بعد از چند بار تلاش به پایان برسد، مگر اینکه پروتوکل دارای یک مکانیسم با توانایی چند پاسخ باشد و بتواند این پاسخ ها با یکدیگر هماهنگ کنند. این توانایی این امکان را به وجود می آورد که پروتوکل تا زمانی که منتظر است این گره خراب شده پاسخ دهد، اطلاعات سایر گره ها را بخواند و نیازی نیست صبر کند تا آن گره خراب پاسخ بدهد.
۲. اتصال فیزیکی
در بحث IOT هیچ وسیله ارتباطی مجردی را نمیتوان یافت که تمام نیازهای ارتباطی را برطرف کند. امروزه لینک های چندگانه RF، لینک های چندگانه خط قدرت و انواع گوناگون راه حل های سیمی برای پیاده سازی کاربردهای مختلف نیاز است. علاوه براین، توسعه گیرنده ها و فرستنده ها یک زمینه تحقیق و سرمایه گذاری فعال است، بنابراین پروتوکل باید توانایی این را داشته باشد که از ویژگی های تکونولوژی جدید بهره برداری کند، همگام با سرعتی آن ها در دسترس قرار میگیرند. برای اینکه این مسئله میسر شود، پروتوکل باید از اساس از لایه فیزیکی مجزا باشد.
۳. امنیت IIOT
امروزه، اکثریت شبکه های کنترلی ناامن هستند. از زمانی که دنیا از سیستم های اتوماسیون و کنترل سیم کشی شده بسته و شبکه های غیرمتصل به سمت شبکه هایی حرکت کرد که می توانند بدون نیاز به Gateway به اینترنت متصل شوند، استراتژی های حفاظت در اینترنت برای از بین بردن مشکلات IOT می توانند تغییر کاربری بدهند.
خوشبختانه سازمان NIST پروتوکل های امنیتی مناسبی را برای مباحث مختلف در IOT و IIOT تعریف کرده است. این استانداردها در سال ۲۰۰۱ توسط این سازمان معرفی شدند و با مراجعه به صفحه CSRC NIST می توانید با اطلاعات کاملی از این پروتوکل ها با جزییات آن به دست آورد.
۴. سرویس کنترلی
در بحث نیازهای سرویس کنترلی IIOT ، به بررسی مفصل تری نیاز است که تحت مطلبی به همین عنوان این نیازها مورد بررسی قرار می گیرد.
