Internet of Things – a tárgyak internete (IoT). Lényege, hogy különféle internettechnológiákkal a környezetünkben lévő eszközöket összekapcsoljuk, az adatokat elérhetővé tesszük, összegyűjtjük, analizáljuk, és ha lehet, az eredmények alapján be is avatkozunk a rendszer működésébe. Tulajdonképpen egy zárt hurkú szabályozó rendszerről van szó, amely közeli kapcsolatban áll a fizikai beágyazó környezettel, és amelybe napjainkban elsősorban a szolgáltatott adatok alapján az ember, de a jövőben egyre inkább a gép avatkozik be.

Maga az eljárás nem újdonság, az iparban is évek óta alkalmazzák, különböző elnevezések alatt. Eleinte gépek közötti kommunikációról (machine-to-machine, m2m) beszéltek, aztán megjelentek a különféle okos alkalmazások (smart city, smart home stb.). Napjainkban az Egyesült Államokban a kiberfizikai rendszer elnevezés terjed kicsit eltérő tartalommal, míg például Németországban az Ipar 4.0 fogalom honosodott meg. Az egy-két éve megjelent IoT kifejezés egyfajta gyűjtőneve az összes, egymáshoz hasonló rendszernek.

Ötrétegű architektúra

Alapvetően az IoT világában a rendszerek 5-rétegű architektúrára épülnek. A legalsó szintet a szenzorhálózat képviseli. A szenzorok összegyűjtik az adatokat, és esetleg be is avatkoznak a rendszer működésébe. Fontos, hogy az adatgyűjtés nem csupán a fizikai beágyazó környezetet érinti.

A szenzorok a komplett informatikai rendszerről, annak működéséről is gyűjtenek adatokat. A következő, adatinformációs konverziós szint feladata, hogy a nyers adatokat kombinálja, és magasabb szinten tegye elérhetővé, például itt zajlik a történeti adatok gyűjtése, a szenzorfúzió, vagy az adatok ellenőrzése.

A vezeték nélküli technológiák inkább csak kiegészítő funkciót töltenek be, mobileszközöket kapcsolnak a rendszerbe

A harmadik, kiberfizikai szinten már bonyolult szoftveres műveletek folynak: jellemzően a környezetről egy modell épül, és egyfajta magas szintű analízis történik. A felső két szint, a kognitív és automatizmusok szintje ma még erősen a humán szereplőkhöz kötött, miközben világszerte komoly erőfeszítéseket tesznek a gépi funkciók, a mesterséges intelligencia stb. arányának növelésére.

Általánosságban elmondható tehát, hogy a rendszer szenzorokból és beavatkozókból, kommunikációs hálózatból és informatikai infrastruktúrából épül fel, mely utóbbi adott esetben (például a nagy számítási igényű feladatok, vagy a hatalmas adatmennyiségből, a big databól fakadó bonyolult analízisek elvégzése érdekében) felhőrendszerekhez kapcsolódhat.

Jön a valós idejű Ethernet szabvány

„Az ipari IoT, az IIoT (Industrial Internet of Things) esetében fokozott figyelmet kell fordítani a biztonságkritikus környezetben való működésre. A feladat nem könnyű, ugyanis ezen a területen még nem állnak rendelkezésre a megfelelő technológiák” – mutat rá Dr. Kovácsházy Tamás, a BME Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék (MIT) docense.

Manapság az alacsonyabb hálózati rétegekben vezetékes hálózatként az Ethernet szabvány a legelterjedtebb. Ezen kívül a vezeték nélküli kapcsolattartásra vagy wifit, vagy különböző vezeték nélküli szenzorhálózati technológiákat használnak, mely utóbbiakból roppant széles a választék.

Mivel a vezeték nélküli szenzorhálózati technológiák még nem tekinthetők jó megoldásnak biztonságkritikus környezetben, továbbá egyelőre nem sikerült megállapodni egy széles körben elfogadott szabványban (túl sok szabvány, ZigBee, 6loWPAN, stb. versenyez a piacon), ipari környezetben az Ethernet dominál. A vezeték nélküli technológiák inkább csak kiegészítő funkciót töltenek be, mobileszközöket kapcsolnak a rendszerbe.

„Az a nagy kérdés, hogy a valósidejűséget, az adatintegritást és a biztonságot hogy lehet a rendelkezésre álló technológiákkal biztosítani. Az Ethernetet (és magasabb szinten a TCP/IP-t) ugyanis nem erre a környezetre fejlesztették ki, következésképpen vannak ilyen irányú hiányosságai. Jelenleg, ha valaki igazából biztonságos környezetet akar kiépíteni Ethernet alapon, gyakorlatilag csak gyártóspecifikus megoldásokat alkalmazhat. Számos, egymással versengő technológia van a piacon, amelyek azonban nem kompatibilisak egymással. A megoldást a valós idejű Ethernet jelentené, amelynek szabványosítása a IEEE keretein belül már folyamatban van” – tájékoztat Kovácsházy Tamás.

A valós idejű Ethernet előzményének az Audio/Video Bridging (AVB) szabvány tekinthető, amely elsősorban audió- és videófolyamok valós idejű átküldését szabványosítja az Ethernet hálózaton. Ez alapján fogtak hozzá azon új szabvány, a TSN (Time Sensitive Network) kidolgozásához, amely sokkal szélesebb alkalmazási körben tesz majd lehetővé valós idejű kommunikációt az Ethernet hálózat fölött.

Készülnek a prototípusok

Tulajdonképpen egy szabványrendszerről van szó, amely 5-6 fontosabb, és 2-3 kevésbé lényeges részszabványból áll majd össze. Az egyes elemek lépésenként készülnek el, így elfogadásuk is részletekben várható. Vannak olyanok, amelyek tervezetei már olvashatók az IEEE megfelelő munkacsoportjainak weboldalain, de vannak olyanok is, amelyeken valószínűleg még évekig kell dolgozni.

Több nagy gyártó már megjelent olyan termékkel, amely a szabványosítás előtti állapotot támogatja. Noha a BME MIT anyagi okok miatt nem tudott bekapcsolódni magába a szabványosítási folyamatba (bár kapott ilyen felkérést), szakértelmével, nagy európai gyártókon keresztül, részt vesz a prototípus-fejlesztésben.

A szabvány egy része arra vonatkozik, hogy miként lehet a valós idejű folyamatokat a hálózatban regisztrálni. Az ütemezés rész a különböző üzenetek hálózaton való ütemezett végighaladását szabályozza. Fontos része a szabványnak az óraszinkronizáció, hiszen a különböző csomópontok óráinak hajszálpontosan együtt kell járniuk (1 mikroszekundum a tipikus elvárás), hogy egyidőben tudják elvégezni a mintavételezést és a beavatkozást. Külön szabványelem gondoskodik a hibatűrésről, hogy hiba esetén is a rendszer hatékonyan tudjon működni (például alternatív útvonalat válasszon). Ez utóbbihoz különféle kiegészítő komponensek (szűrés, engedélyezés stb.) is készülnek.

Az alkalmazási réteg és az üzemeltetés is problematikus

„A következő érdekes kérdés, hogy az IoT világának, ezen belül az IIoT világának mi lesz az alkalmazási réteg protokollja. Ma szinte végtelen számú ilyen protokoll létezik, folyik a harc, hogy mi kerüljön majd be a szabványba. A legesélyesebb az úgynevezett OPC UA (OPC Unified Architecture), amelynek már vannak szabad forráskódú implementációi is. Várhatóan az elkövetkező jó néhány évet még az alkalmazási réteg protokoll kérdéséről szóló vita fogja jellemezni. A közös megoldás kialakításáig pedig csak szekértáboron belül tudnak a rendszerek együttműködni” – hangsúlyozza az egyetemi docens.

A karbantartás mellett a rendszermenedzsmentre is megoldást kell találni

A szabványosítás tehát kulcskérdés. Ma áttekinthetetlen az IoT világa, különböző technológiákból kvázi össze kell legózni a rendszereket. Csak az a gond, hogy a legókockák nem illenek össze, ezért összeillesztésükhöz további elemek kellenek. A probléma kezelésére vannak megoldások, ám alkalmazásukkal áttekinthetetlenné válik a rendszer. Ez az oka annak, hogy a szigetekből integrált nagy egész menedzseléséhez, karbantartásához nagyon sokféle tudás kell.

„Az ilyen összetett, heterogén rendszerek karbantartására nem készültünk fel. Gyakorlatilag ezzel a kérdéssel senki sem foglalkozik, noha kulcsfontosságú. Sokéves tapasztalat Magyarországon és külföldön egyaránt, hogy a projektek bukása legtöbbször erre vezethető vissza. A karbantartási költségek lényegében lehetetlenné teszik a rendszer rentábilis üzemeltetését. További problémákat vet fel, ha akkumulátorokat is használnak, hiszen azokat időről időre cserélni kell. E folyamat már 10-20 szenzornál is nehézkes, de ezer vagy 10 ezer érzékelő esetében teljesen kivitelezhetetlen. A karbantartás mellett tehát a rendszermenedzsmentre is megoldást kell találni” – emeli ki a szakember.

Folyamatos biztonsági frissítések

Végül, de nem utolsó sorban szót kell ejteni az IoT világában használt megoldások biztonságosságáról a klasszikus IT biztonsági értelemben. Ha valaki például az interneten bankol, biztonságban érezhette magát 3 éve, és érezheti magát ma is. Ez azonban nem azt jelenti, hogy a háttérben működő protokollok változatlanok. Épp ellenkezőleg. A kívülről látható stabil technológia mögötti protokollok folyamatosan fejlődnek. A háttérrendszer néhány évente gyakorlatilag teljesen megújul, az átlagfelhasználó számára láthatatlan módon.

Áttérve az ipari környezetre, a beágyazott rendszerek élettartama jellemzően hosszú években vagy akár évtizedekben mérhető, legyen szó akár egy termelő üzemről, akár az országot ellátó víz-, gáz- vagy elektromos hálózatról. Egyáltalán nem garantálható viszont, hogy a ma biztonságosnak gondolt IoT technológiák, protokollok sok-sok év múlva is biztonságosak lesznek. E rendszereknél mindenképpen meg kell tehát oldani a biztonsági frissítések folyamatos letöltését.

Csakhogy a biztonságkritikus környezetben működő rendszereket többnyire minősíttetni kell. De vajon egy új biztonsági protokoll feltöltését követően ismét le kell folytatni a minősítési eljárást? Kovácsházy Tamás szerint e kérdésre még nincs megnyugtató válasz, a biztonságos működés garantálására vélhetően teljesen új megoldásokat kell keresni ebben a környezetben.