産業用自動化におけるブロックチェーンの潜在的なアプリケーションと課題

前回の記事では、ブロックチェーンの仕組みと安全性について説明し、サプライチェーンや資産追跡などのロジスティクスにブロックチェーンを使用する方法を紹介しました。この記事では、産業用自動化におけるブロックチェーンの例と潜在的なアプリケーションを引き続き提供します。

ブロックチェーンとIoT

モノのインターネット（IoT）には世界中に何百万ものアプリケーションがありますが、同時に多くのセキュリティリスクをさらしています。悪意のある攻撃者がワイヤレスカメラ、Amazon Alexa、スマートサーモスタットなどのIoT製品をハッキングし、データを盗んだというニュースをよく耳にします。

ブロックチェーンは、IoTアプリケーションのセキュリティ不足のギャップを埋めるのに役立ちます。多くのIoTアプリケーションは、通信にMQTTを使用します。 MQTTは、ブロックチェーンベースのOTP（ワンタイムパスワード）認証をスキーマに導入することで保護できます。

図1では、ユーザーはローカルデバイスを使用してブローカーに認証要求を送信することにより、リモートデバイスをブローカーに登録します。ブローカーはトランザクションを生成し、スマートコントラクトの機能を開始します。次に、OTPを生成し、ユーザーに送り返します。その後、ユーザーはOTPをブロックチェーンに公開して、認証要求の独創性を実証します。

図1。 ブロックチェーンで実装されたIoT。画像は米国国立医学図書館の厚意により使用されました

OTPには有効期限があるため、ユーザーはローカルデバイスからスマートコントラクトを呼び出して、OTPの有効期限が切れていないことを確認する必要があります。 OTPが検証されると、リモートデバイスはブロックチェーンからOTPを取得し、ブローカーに送信します。最後に、ブローカーはブロックチェーンからOTPを取得し、デバイスの登録を承認します。

上記の通信はすべてイーサリアムゲートウェイを介して実行され、IoTアプリケーションはOTPを生成および検証し、イーサリアムゲートウェイと通信するように機能しています。

ブロックチェーンを使用した産業用制御システム（ICS）サイバーセキュリティ

IoTデバイスとそのデータへのアクセス制御を保護する別の方法は、ブロックチェーンを使用してデバイスリストとトランザクションを保存することです。ブロックチェーンは、TruffleSuiteを使用してEthereumプラットフォームで設計できます。 Truffle Suiteは、Ethereum Virtual Machine（EVM）を使用してスマートコントラクトを作成するために使用されるツールです。認証の目的で、トランザクションを安全に保つために、記録追跡と不変のデータベースを作成します。不変データベースのデータは削除または更新できません。

作成されたイーサリアムブロックチェーンはファイアウォールの背後にあるプライベートネットワークであり、サーバーはHTTPGetおよびHTTPPostメソッドを使用してイーサリアムブロックチェーンと通信します。スマートコントラクトは、各トランザクションを毎回認証するように設計されています。イーサリアムブロックチェーンはプライベートブロックチェーンネットワークに使用され、JavaベースのSolidityがコントラクトを定義します。

ブロックチェーンとプロセス制御

プロセス自動化システム（PAS）用のブロックチェーンベースの垂直統合アーキテクチャは、産業プロセスを制御および監視できます。垂直統合は、最低のフィールドおよびデバイスレベルでデータを収集し、情報を最高レベルに移動できるようにします。逆に、最高レベルから、制御ループの設定値の変更などのフィールドデバイスまで。

分散型ブロックチェーンベースのネットワークアーキテクチャは、リアルタイムシステムと並行して機能するPAS階層レベルの垂直統合で実装できます。これにより、人間とマシンのインターフェイス（HMI）レベルでオペレーターが実行する、コンパイル、実行、監視などのタスクオーダーにブロックチェーンが導入されます。

図2に示すように、ブロックチェーンネットワークは、企業管理、プラント管理、および監督レベルを接続するミドルウェアとして使用されます。各レベルは、ブロックチェーンクライアントとして機能し、分散して相互作用します。

プロセス制御レベルのデバイスは、プログラマブルロジックコントローラー（PLC）を介してフィールドデバイスとセンサー間の通信を調停します。また、タスクの実行と生データの収集を定義し、アクセス制御とセキュリティ管理を実行するスマートコントラクトを通じて、PASの3つのレベルと通信します。この情報は、ビジネスと製造の意思決定をサポートすることができます。

図2。 ブロックチェーンで実装されたプロセス制御。コーネル大学の厚意により使用された画像[PDF]

このアーキテクチャでは、PLCデバイスの管理および制御情報は、トランザクションが検証されるブロックチェーンネットワークの元帳に格納されます。各トランザクションは一意のアドレスで識別され、PASのさまざまなレベル間で交換されるすべての関連情報を保存します。

ブロックチェーンの先の課題

暗号通貨でブロックチェーンベースのネットワークが成功したとしても、ブロックチェーンをコピーして他の産業用アプリケーションに貼り付けることはできません。以下は、ブロックチェーンを産業用自動化および製造アプリケーションにうまく統合するためにブロックチェーン開発者が考慮する必要のあるいくつかの課題です。

• ブロックチェーンマイナー ：暗号通貨では、鉱夫は複雑な数式を解くと金銭的に報われます。産業用アプリケーションでは、これらの集中的な責任を実行するために、鉱夫のタスクを計算プロセスまたはユニットに置き換える必要があります。これにより、必要な範囲とリソースが増加するため、IoTまたは制御ネットワークを構築するためのコストが増加します。
• セキュリティ ：ハッカーが暗号通貨ユーザーのアカウントを空にする方法を見つけるというニュースを時々耳にします。ブロックチェーンネットワークにはいくつかのセキュリティ上の欠陥があります。ブロックチェーンの分散型の性質により、セキュリティが向上するだけでなく、ハッカーが悪用するターゲットが増えます。研究者は、プロトコル層のセキュリティを強化するためのより良い方法を見つける必要があります。
• 速度 ：アルゴリズムの複雑さとマイニングネットワークでのトラバースに必要な時間のため、1ビットコインをマイニングする時間は10分です。金融市場では問題ないかもしれませんが、リアルタイム制御システムでは実現できない可能性があります。研究者は、帯域幅と暗号化速度を向上させ、ブロックチェーンのコンピューティング能力の浪費を減らして、産業用アプリケーションにより適用できるようにする必要があります。
• 採用が遅い ：ブロックチェーンは、効果的に機能するために幅広い採用を必要とするエコシステムです。たとえば、サプライチェーンネットワークでの追跡と追跡では、組織がブロックチェーンネットワークを採用するだけでなく、サプライヤも採用する必要があります。企業は、他の企業とのコンセンサスを得る必要がある場合、新しいテクノロジーの採用に時間がかかる傾向があります。さまざまな事業体が協力し、相互に信頼して、セキュリティとトランザクションが相互に問題なく機能できる互換性のあるブロックチェーンを形成する必要があります。
• 熟練した開発者 ：ブロックチェーンは新しいテクノロジーです。それを開発して習得するために必要なスキルは、市場では広く利用できません。ブロックチェーンの開発者やエンジニアを獲得することは組織にとっての課題であり、彼らの給与は非常に競争力があります。この人材バリアの獲得により、ブロックチェーンのレガシーシステムへの統合が遅くなる可能性があります。ただし、他のテクノロジーで見たように、需要がある場合は、教育機関と技術コミュニティが十分な訓練を受けた労働力に追いつき、供給するのを助けることができます。

ブロックチェーンにはいくつかの課題があるように見えますが、良いニュースは、これらの欠陥と戦うために進行中の多くの作業があるということです。組織とテクノロジーリーダーは、ブロックチェーンの利点と可能性を認識しており、このテクノロジーに投資しています。他の新しいテクノロジーと同様に、ブロックチェーンが主流の採用になる前に、厳しい課題に直面する時間があります。

暗号通貨がブームかバストかを判断できるのは時間だけです。しかし、それが作成するのに役立つブロックチェーンテクノロジーは、産業用アプリケーションの分野で長い間その価値を保持します。