Potentiële toepassingen en uitdagingen voor blockchain in industriële automatisering

Het vorige artikel legde uit hoe blockchain werkt, waarom het veilig is en introduceerde het gebruik van blockchain voor logistiek, zoals de supply chain en het volgen van activa. In dit artikel gaan we door met het geven van voorbeelden en mogelijke toepassingen voor blockchain in industriële automatisering.

Blockchain en IoT

Het Internet of Things (IoT) heeft wereldwijd miljoenen toepassingen, maar heeft tegelijkertijd veel beveiligingsrisico's blootgelegd. We horen vaak uit het nieuws dat kwaadwillenden IoT-producten zoals draadloze camera's, Amazon Alexa en slimme thermostaten hebben gehackt en gegevens hebben gestolen.

Blockchain kan helpen om de leemte op het beveiligingstekort voor IoT-toepassingen te dichten. Veel IoT-toepassingen gebruiken MQTT voor communicatie. MQTT kan worden beveiligd door op blockchain gebaseerde OTP-authenticatie (eenmalig wachtwoord) in het schema te introduceren.

In figuur 1 registreert een gebruiker een apparaat op afstand bij de broker door een authenticatieverzoek naar de broker te sturen met behulp van een lokaal apparaat. De makelaar genereert een transactie en initieert de functie van een slim contract. Het genereert vervolgens een OTP en stuurt het terug naar de gebruiker. Daarna publiceert de gebruiker de OTP op de blockchain om de originaliteit van zijn authenticatieverzoek aan te tonen.

Figuur 1. IoT geïmplementeerd met blockchain. Afbeelding gebruikt met dank aan U.S. National Library of Medicine

Aangezien de OTP een vervaldatum heeft, moet de gebruiker het slimme contract bellen vanaf het lokale apparaat om te controleren of de OTP niet is verlopen. Zodra de OTP is gevalideerd, haalt het externe apparaat het op van de blockchain en stuurt het naar de broker. Ten slotte haalt de broker de OTP op van de blockchain en keurt hij de apparaatregistratie goed.

Alle bovenstaande communicatie wordt uitgevoerd via de Ethereum-gateway en de IoT-toepassing werkt aan het genereren en verifiëren van de OTP en de communicatie met de Ethereum-gateway.

Industrial Control System (ICS) Cyberbeveiliging met Blockchain

Een andere methode om de toegangscontrole tot de IoT-apparaten en hun gegevens te beveiligen, is het gebruik van blockchain om de apparaatlijst en transacties op te slaan. De blockchain kan worden ontworpen op een Ethereum-platform met behulp van Truffle Suite. Truffle Suite is een tool die wordt gebruikt om slimme contracten te maken met behulp van Ethereum Virtual Machine (EVM). Het creëert een record-tracking en onveranderlijke database voor authenticatiedoeleinden en om transacties veilig te houden. De gegevens in de onveranderlijke database kunnen niet worden verwijderd of bijgewerkt.

De gecreëerde Ethereum-blockchain is een privénetwerk achter een firewall en de server communiceert met de Ethereum-blockchain met behulp van HTTPGet- en HTTPPost-methoden. Het slimme contract is ontworpen om elke transactie elke keer te verifiëren. Ethereum-blockchain wordt gebruikt voor het private blockchain-netwerk en op Java gebaseerde Solidity definieert de contracten.

Blockchain- en procescontrole

Een op blockchain gebaseerde verticale integratiearchitectuur voor een procesautomatiseringssysteem (PAS) kan een industrieel proces besturen en bewaken. Een verticale integratie verzamelt gegevens op het laagste veld- en apparaatniveau en stelt de informatie in staat om naar het hoogste niveau te reizen. En vice versa, van het hoogste niveau tot de veldapparatuur zoals het wijzigen van setpoints voor regelkringen.

Gedecentraliseerde op blockchain gebaseerde netwerkarchitectuur kan worden geïmplementeerd in de verticale integratie van PAS-hiërarchieniveaus, die parallel werkt met het realtime systeem. Dit introduceert de blockchain in de taakorders zoals compilatie, uitvoering en monitoring, uitgevoerd door de operator op het niveau van de mens-machine-interface (HMI).

Zoals weergegeven in figuur 2, wordt het blockchain-netwerk gebruikt als middleware om de niveaus van bedrijfsbeheer, fabrieksbeheer en toezicht met elkaar te verbinden, waarbij elk niveau fungeert als een blockchain-client en op een gedecentraliseerde manier met elkaar communiceert.

Apparaten op procesbesturingsniveau regelen de communicatie tussen veldapparaten en sensoren via de programmeerbare logische controller (PLC). Het communiceert ook met de drie niveaus van de PAS via slimme contracten die de uitvoering van taken en het verzamelen van onbewerkte gegevens definiëren en toegangscontrole en beveiligingsbeheer uitvoeren. De informatie kan de besluitvorming van bedrijven en productie ondersteunen.

Figuur 2. Procesbeheersing geïmplementeerd met blockchain. Afbeelding gebruikt met dank aan Cornell University [PDF]

In deze architectuur worden de PLC-apparaatbeheer- en besturingsinformatie opgeslagen in de grootboeken in het blockchain-netwerk waar transacties worden gevalideerd. Elke transactie wordt geïdentificeerd door een uniek adres en slaat alle relevante informatie op die moet worden uitgewisseld tussen verschillende niveaus in de PAS.

De uitdaging die voor ons ligt met Blockchain

Zelfs met het succes van op blockchain gebaseerde netwerken in cryptocurrency, kan blockchain niet worden gekopieerd en geplakt in andere industriële toepassingen. Hieronder staan ​​enkele van de uitdagingen waarmee blockchain-ontwikkelaars rekening moeten houden om blockchain succesvol te integreren in industriële automatiserings- en productietoepassingen.

• Blockchain-mijnwerker :In cryptocurrency worden miners in geld beloond wanneer ze een complexe wiskundige vergelijking oplossen. In een industriële toepassing zullen de taken van de miner moeten worden vervangen door computationele processen of eenheden om deze intensieve verantwoordelijkheden uit te voeren. Dit vergroot het bereik en de benodigde middelen, en daarmee de kosten om het IoT of het controlenetwerk te bouwen.
• Beveiliging :We horen nog steeds af en toe uit het nieuws dat hackers hun weg vinden naar het legen van accounts van gebruikers van cryptocurrency. Er zijn enkele beveiligingsfouten in het blockchain-netwerk. Het gedecentraliseerde karakter van blockchain kan de veiligheid vergroten, maar creëert ook meer doelen voor hackers om te misbruiken. Onderzoekers moeten een betere manier vinden om de beveiliging in de protocollaag te vergroten.
• Snelheid :De tijd om 1 Bitcoin te minen is 10 minuten vanwege de complexiteit van het algoritme en de tijd die het nodig heeft om in het mijnnetwerk te reizen. In een financiële markt is het misschien goed, maar voor een realtime controlesysteem is het misschien niet haalbaar. Onderzoekers zullen de bandbreedte en de coderingssnelheid moeten verhogen en de verspilling van rekenkracht moeten verminderen om blockchain beter toepasbaar te maken in industriële toepassingen.
• Langzame acceptatie :Blockchain is een ecosysteem dat brede acceptatie vereist om effectief te werken. Voor tracking en tracing in supply chain-netwerken zou bijvoorbeeld niet alleen een organisatie een blockchain-netwerk moeten adopteren, maar ook van haar leveranciers. Bedrijven hebben de neiging om traag te zijn met het adopteren van nieuwe technologieën wanneer ze met anderen tot een consensus moeten komen. Verschillende zakelijke entiteiten moeten samenwerken en elkaar vertrouwen om compatibele blockchains te vormen waar beveiliging en transactie probleemloos onderling kunnen werken.
• Bekwame ontwikkelaars :Blockchain is een opkomende technologie. De vaardigheden die nodig zijn om het te ontwikkelen en onder de knie te krijgen, zijn niet algemeen beschikbaar op de markt. Het is een uitdaging voor een organisatie om blockchain-ontwikkelaars en -ingenieurs te werven, en hun salarissen zijn zeer concurrerend. Deze acquisitie van talentbarrières kan de integratie van blockchain in legacy-systemen vertragen. Zoals we echter bij andere technologieën hebben gezien, kunnen onderwijsinstellingen en de technische gemeenschap, wanneer er vraag is, helpen om de achterstand in te halen en voldoende geschoolde arbeidskrachten te leveren.

Ook al lijken er wat uitdagingen te zijn met blockchain, het goede nieuws is dat er veel werk aan de winkel is om deze tekortkomingen te bestrijden. Organisaties en technologieleiders hebben de voordelen en mogelijkheden van blockchain erkend en investeren in deze technologie. Net als bij andere nieuwe technologieën, zal er tijd zijn voor blockchain om een ​​rigoureuze uitdaging aan te gaan voordat het een mainstream adoptie wordt.

Alleen de tijd kan uitwijzen of cryptocurrency een boom of een mislukking is. Maar de blockchain-technologie die het helpt creëren, zal zijn waarde nog lang behouden in de arena van industriële toepassingen.