区块链在工业自动化中的潜在应用和挑战

上一篇文章解释了区块链的工作原理，为什么它是安全的，并介绍了使用区块链进行物流，例如供应链和资产跟踪。在本文中，我们将继续提供区块链在工业自动化中的示例和潜在应用。

区块链和物联网

物联网 (IoT) 在全球拥有数百万个应用程序，但同时也暴露了许多安全风险。我们经常从新闻中听到恶意行为者入侵无线摄像头、亚马逊 Alexa 和智能恒温器等物联网产品并窃取数据。

区块链可以帮助弥补物联网应用程序安全缺陷的差距。许多 IoT 应用程序使用 MQTT 进行通信。 MQTT 可以通过在其架构中引入基于区块链的 OTP（一次性密码）身份验证来保护。

在图 1 中，用户通过使用本地设备向代理发送身份验证请求来向代理注册远程设备。经纪人生成交易并启动智能合约的功能。然后它生成一个 OTP 并将其发送回用户。之后，用户在区块链上发布OTP以证明其认证请求的原创性。

图 1. 用区块链实现的物联网。图片由美国国家医学图书馆提供

由于 OTP 有过期时间，用户必须从本地设备调用智能合约来验证 OTP 没有过期。验证 OTP 后，远程设备从区块链中检索它并将其发送给代理。最后，broker 从区块链中获取 OTP 并批准设备注册。

以上所有通信均通过以太坊网关进行，物联网应用正在生成和验证OTP并与以太坊网关通信。

工业控制系统 (ICS) 与区块链的网络安全

另一种保护物联网设备及其数据的访问控制的方法是使用区块链来存储设备列表和交易。可以使用 Truffle Suite 在以太坊平台上设计区块链。 Truffle Suite 是一种用于使用以太坊虚拟机 (EVM) 创建智能合约的工具。它创建了一个记录跟踪和不可变数据库，用于身份验证和确保交易安全。不可变数据库中的数据无法删除或更新。

创建的以太坊区块链是防火墙后面的私有网络，服务器使用 HTTPGet 和 HTTPPost 方法与以太坊区块链通信。智能合约旨在每次对每笔交易进行身份验证。以太坊区块链用于私有区块链网络，基于Java的Solidity定义合约。

区块链和流程控制

用于过程自动化系统 (PAS) 的基于区块链的垂直集成架构可以控制和监控工业过程。垂直整合在最低的现场和设备级别收集数据，并使信息能够传输到最高级别。反之亦然，从最高级别到现场设备，例如更改控制回路的设定点。

去中心化的基于区块链的网络架构可以在PAS层级的垂直整合中实现，与实时系统并行工作。这将区块链引入到操作员在人机界面（HMI）层面执行的编译、执行和监控等任务指令中。

如图2所示，区块链网络作为中间件连接企业管理、工厂管理和监管层，其中每一层都充当区块链客户端，以去中心化的方式相互交互。

过程控制级设备通过可编程逻辑控制器 (PLC) 仲裁现场设备和传感器之间的通信。它还通过定义任务执行和原始数据收集的智能合约与 PAS 的三个级别进行通信，并执行访问控制和安全管理。这些信息可以支持业务和制造决策。

图 2。 使用区块链实现过程控制。图片由康奈尔大学提供 [PDF]

在这种架构中，PLC 设备管理和控制信息存储在区块链网络的账本中，交易在其中得到验证。每笔交易都由一个唯一的地址标识，并将所有相关信息存储在PAS中，以供不同级别之间交换。

区块链面临的挑战

即使基于区块链的网络在加密货币中取得成功，区块链也无法复制粘贴到其他工业应用中。以下是区块链开发者要成功将区块链集成到工业自动化和制造应用程序中需要考虑的一些挑战。

• 区块链矿工 ：在加密货币中，矿工在解决复杂的数学方程时会获得金钱奖励。在工业应用中，矿工的任务将不得不被计算过程或单元取代，以执行这些密集的职责。这将增加所需的范围和资源，从而增加构建物联网或控制网络的成本。
• 安全 ：我们仍然偶尔从新闻中听到黑客设法清空加密货币用户的帐户。区块链网络存在一些安全漏洞。区块链的去中心化特性可以提高其安全性，但也为黑客创造了更多可利用的目标。研究人员必须找到一种更好的方法来提高协议层的安全性。
• 速度 ：由于算法的复杂性以及在挖矿网络中需要遍历的时间，挖出1个比特币的时间为10分钟。在金融市场上可能没问题，但对于实时控制系统可能不可行。研究人员必须提高带宽、加密速度并减少计算能力的浪费，使区块链更适用于工业应用。
• 采用缓慢 ：区块链是一个需要广泛采用才能有效工作的生态系统。例如，供应链网络中的跟踪和追溯不仅需要组织采用区块链网络，还需要其供应商采用。当公司需要与他人达成共识时，他们往往会缓慢采用新技术。不同的业务实体必须协同工作并相互信任，以形成兼容的区块链，安全和交易可以在它们之间完美运行。
• 熟练的开发人员 ：区块链是一项新兴技术。开发和掌握它所需的技能在市场上并不广泛。对于一个组织来说，获得区块链开发人员和工程师是一个挑战，他们的薪水具有很强的竞争力。这种人才壁垒收购可能会减缓将区块链集成到遗留系统中的速度。但是，正如我们在其他技术中看到的那样，当有需求时，教育机构和技术社区可以帮助赶上并提供足够训练有素的劳动力。

尽管区块链似乎存在一些挑战，但好消息是有很多工作正在进行中以克服这些缺陷。组织和技术领导者已经认识到区块链的好处和潜力，他们正在投资这项技术。与其他新技术一样，区块链在成为主流之前也需要时间来面对严峻的挑战。

只有时间可以判断加密货币是繁荣还是萧条。但它所帮助创造的区块链技术将在未来很长一段时间内在工业应用领域保持其价值。