産業オートメーションにおけるブロックチェーンの可能性：機会と障壁

前回の記事では、ブロックチェーンの仕組み、セキュリティの理由、サプライチェーンや資産追跡などのロジスティクスへの活用を紹介しました。今回は、産業オートメーションにおけるブロックチェーンの更なる事例と潜在的応用を提供します。

ブロックチェーンとIoT

Internet of Things（IoT）は世界中で数百万のアプリケーションを持ちますが、同時に多くのセキュリティリスクも露見させています。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製品が悪意あるアクターによってハッキングされ、データが盗まれた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を埋め合わせるのに役立ちます。多くのIoTアプリケーションは通信にMQTTを使用します。MQTTには、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セキュリティを強化できます。

図1では、ユーザーがローカルデバイスを用いて認証リクエストをブローカーへ送信し、リモートデバイスを登録します。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。OTPを生成してユーザーへ返送し、ユーザーはブロックチェーン上でOTPを公開することで認証リクエストの正当性を証明します。

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、OTPが期限切れでないことを検証する必要があります。OTPが検証されると、リモートデバイスがブロックチェーンからOTPを取得し、ブローカーへ送信します。最後に、ブローカーがブロックチェーンからOTPを取得し、デバイス登録を承認します。

これらすべての通信はEthereumゲートウェイを通じて行われ、IoTアプリケーションはOTPの生成・検証とEthereumゲートウェイとの通信を行います。

ブロックチェーンによる産業制御システム（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もう一つの方法は、デバイスリストとトランザクションをブロックチェーンに格納することです。ブロックチェーンは、Truffle Suiteを用いてEthereumプラットフォーム上に設計できます。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ツールです。認証目的のための記録追跡と改ざん不可能なデータベースを作成し、トランザクションを安全に保ちます。この改ざん不可能なデータベース内のデータは削除も更新もできません。

作成されたEthereumブロックチェーンはファイアウォール内のプライベートネットワークであり、サーバーはHTTP GET/POSTメソッドでEthereum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、毎回各トランザクションを認証するよう設計されています。プライベートブロックチェーンネットワークにはEthereumブロックチェーンを使用し、コントラクト定義にはJavaベースのSolidityを使用します。

ブロックチェーンとプロセス制御

プロセスオートメーションシステム（PAS）のためのブロックチェーンベース垂直統合アーキテクチャは、産業プロセスを制御・監視できます。垂直統合は、最下層のフィールド・デバイスレベルでデータを収集し、情報を最上層へ到達させます。逆方向も同様で、最上層からフィールドデバイス（制御ループのセットポイント変更など）へ指令を下せます。

分散型ブロックチェーンベースネットワークアーキテクチャを、リアルタイムシステムと並行してPAS階層レベルの垂直統合に実装できます。これにより、ブロックチェーンがオペレーターによるHMIレベルでのタスクオーダー（コンパイル、実行、監視）に導入されます。

図2に示す通り、ブロックチェーンネットワークはミドルウェアとして、企業管理、プラント管理、監視の3レベルを接続し、各レベルがブロックチェーンクライアントとして分散的に相互作用します。

プロセス制御レベルデバイスは、PLCを通じてフィールドデバイスとセンサー間の通信を仲介します。また、PASの3レベルとスマートコントラクトを通じて通信し、タスク実行と生データ収集を定義し、アクセス制御とセキュリティ管理を実行します。この情報はビジネスと製造の意思決定を支援します。

このアーキテクチャでは、PLCデバイスの管理・制御情報がブロックチェーンネットワークの台帳に格納され、トランザクションが検証されます。各トランザクションは一意のアドレスで識別され、PAS内の異なるレベル間で交換されるすべての関連情報を格納します。

ブロックチェーンの前途にある課題

暗号通貨でのブロックチェーンベースネットワークの成功にもかかわらず、ブロックチェーンを他の産業アプリケーションにコピー＆ペーストすることはできません。以下は、産業オートメーションと製造アプリケーションへのブロックチェーン統合を成功させるために、ブロックチェーン開発者が考慮すべき課題です。

• ブロックチェーンマイナー： 暗号通貨では、複雑な数学方程式を解いたマイナーに金銭的報酬が与えられます。産業アプリケーションでは、マイナーのタスクを計算プロセスやユニットに置き換え、これらの集中的な責任を遂行させる必要があります。これによりスコープと必要リソースが増大し、IoTや制御ネットワークの構築コストが上昇します。
• 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ニュースを時折耳にします。ブロックチェーンネットワークにはセキュリティ上の欠陥があります。分散型の性質はセキュリティを高める一方で、ハッカーが悪用できるターゲットも増やします。研究者はプロトコル層でのセキュリティ向上策を見つける必要があります。
• 速度： 1ビットコインのマイニングには、アルゴリズムの複雑さとマイニングネットワークの遍歴時間により10分かかります。金融市場では許容されても、リアルタイム制御システムでは実用的ではありません。研究者は帯域幅の拡大、暗号化速度の向上、計算能力の無駄削減により、ブロックチェーンを産業アプリケーションにより適用可能にする必要があります。
• 導入の遅れ： ブロックチェーンは、効果的に機能するために広範な採用を必要とするエコシステムです。例えば、サプライチェーンネットワークでの追跡・トレースには、組織自身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、サプライヤーも採用する必要があります。合意形成が必要な場合、企業は新技術の採用に消極的になりがちです。異なるビジネス主体が協力し、互いを信頼して、セキュリティとトランザクションが互いに完璧に機能す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。
• 熟練開発者： ブロックチェーンは新興技術です。開発と習得に必要なスキルは市場で広く利用可能ではありません。組織がブロックチェーン開発者とエンジニアを獲得するのは困難で、給与は高度に競争的です。この人材獲得の障壁は、レガシーシステムへのブロックチェーン統合を遅らせる可能性があります。しかし、他の技術で見られたように、需要があれば教育機関と技術コミュニティが追いつき、十分な訓練済み労働力を供給できるでしょう。

ブロックチェーンには課題があるように見えますが、朗報はこれらの欠点と戦うための多くの作業が進行中だということです。組織と技術リーダーはブロックチェーンのメリットと可能性を認識し、この技術に投資しています。他の新技術と同様、ブロックチェーンがメインストリーム採用となる前に厳しい挑戦に直面する時期があるでしょう。

暗号通貨がブームかバブルかは時間が教えてくれます。しかし、それを支えたブロックチェーン技術は、産業アプリケーションの分野で長く価値を保ち続けるでしょう。