ارتباطات مبتنی بر اعتماد برای اینترنت صنعتی اشیاء (IIoT)

ارتباطات مبتنی بر اعتماد برای اینترنت صنعتی اشیاء (IIoT)

به‌تازگی تعداد بسیاری از موارد منتشر شده جالب در حوزه اینترنت صنعتی اشیاء (IIoT)، (مانند کنترل تجهیزات صنعتی، مدیریت مالکیت صنعتی، تولید هوشمند، کارخانه هوشمند) توجه روزافزون جامعه آکادمیک و صنعت را به خود جلب کرده است. IIoT، تکنولوژی است که به ‌وسیله آن هر چیزی در صنعت، با یکدیگر ارتباط و تعامل برقرار می‌کند.

به ‌صورتی که برای تلفیق و ادغام اشیای فیزیکی، اشیای سایبر و اشیای اجتماعی در صنعت، می‌توان از آن استفاده کرد. همچنین IIoT دارای رفتار هوشمندانه برای خدمت‌رسانی بهتر به افراد در صنعت است. برای مثال می‌توان برای کارخانه‌های پتروشیمی‌، با تغییر و تبدیل سیستم‌های فیزیکی ـ سایبری و فضاهای اجتماعی، سیستم‌های نظارت هوشمند (IIoT) طراحی و اجرا کرد.

همچنین ارتباطات مبتنی بر اعتماد به عنوان مکانیزم ارتقای عملکرد، به‌ صورتی گسترده در سیستم‌های مختلف (مانند سیستم‌های اجتماعی، سیستم‌های مبتنی بر شبکه، سیستم‌های کامپیوتری) به‌کار گرفته می شود. اعتماد که توسط مریام‌ـ وبستر تعریف شده است، اتکای مطمئن بر کاراکتر، توانایی، قدرت یا اعتماد فردی یا موردی است. ارتباطات مبتنی بر اعتماد، با همراه کردن اعتماد در ارتباطات (مانند ارزش اعتماد، آستانه ارزشی اعتماد) و برحسب ماهیت‌ها (مانند فرد، شبکه، گره شبکه، سرور) اجرا می‌شوند که می‌تواند با هدف ارتقای کیفیت خدمت quality of service (Qos) سیستم، مورد اعتماد باشد. برای مثال می‌توان اثربخشی انرژی و ایمنی یک سیستم شبکه بی‌سیم را با کسب اعتماد گره شبکه با شماری از مسیرهای ردیابی، بهبود بخشید.

در این مقاله با کشف عملکرد IIoT، ارتباطات مبتنی بر اعتماد برای IIoT مورد بررسی قرار می‌گیرد. به ویژه، با تمرکز بر سنسورـ ابر که یک پارادایم برای IIoT است، سه نوع مکانیزم ارتباطی مبتنی بر اعتماد برای "سنسورـ ابری" معرفی می‌شود. همچنین با نتایج عددی نشان می‌دهد که ارتباطات مبتنی بر اعتماد، می‌تواند تا حد زیادی عملکرد سنسور ـ ابری را ارتقاء ببخشد. در نهایت، مسائل تحقیقات آزاد در رابطه با ارتباطات مبتنی بر اعتماد برای "سنسور ـ ابری" ارائه می‌شوند.

تحقیقات مرتبط با ارتباطات مبتنی بر اعتماد

در ارتباط با سنجه هوشمند، یک مفهوم با عنوان سنجه هوشمند مورد اعتماد، برای محافظت از اطلاعات خصوصی مصرف‌کنندگان از پایانه نهایی، معرفی شده است. همچنین برای پنهان کردن پیکربندی پلت‌فرم سنجه‌های هوشمند، گواهی‌نامه‌های مشخصی به‌کار می‌رود و برای پنهان کردن اطلاعات شخصی کاربران، فناوری امضای حلقه‌ای، مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد.
در مورد شبکه هوشمند، مسئله جایگزینی سیستم اعتماد، از دیدگاه نوع‌شناسی شبکه مورد بررسی قرار می‌گیرد. همچنین یک طرح برای دفاع از کنترل نظارتی، شبکه‌های اکتساب داده، با حداقل تعداد گره‌های اعتماد، توسعه‌یافته است. یک رویکرد بخش‌بندی شبکه نیز برای توزیع گره‌های اعتماد به‌کار گرفته‌شده؛ درحالی‌که فرمولاسیون مسائل برنامه‌ریزی خطی و تحقیقات محلی برای محاسبه‌ گره‌های شبکه به‌کار می‌رود.

در مورد خانه هوشمند، یک سیستم که از منطق، واسطه مغز ـ کامپیوتر و عوامل حسگر، بهره می‌گیرد؛ در به‌کارگیری منطق معرفت‌شناختی و منطق اعتماد،‌ ارتباط میان شخص و عوامل حسگر، با یک هدست واسطه مغز ـ کامپیوتر، امکان‌پذیر می‌شود.

در ارتباط با فضای هوشمند، یک معماری براساس محیط اجرایی قابل اعتماد برای کنترل دسترسی ایمن، نشان داده شده است. با همراه کردن مکانیزم‌های رمزگذاری مبتنی بر هویت، چالش‌های ایجاد معماری، شناسایی شده‌ و مزایای بالقوه معماری، ارائه می‌شوند.

با توجه به شهر هوشمند، یک پلت‌فرم سرویس قابل اعتماد به اهرم کنترل کاربر داده، تبدیل شده است. همچنین یک رویکرد کنترل کاربری مبتنی بر اعتماد در راستای توانمند ساختن ذی‌نفعان، برای تنظیم سیاست‌های کنترل دسترسی، ملاحظه روابط قابل اعتماد آن‌ها با مصرف‌کنندگان داده، برقرار می‌شود. نقش‌ها و تعاملات مولفه‌های رویکرد کنترل کاربری مبتنی بر اعتماد نیز نشان داده می‌شوند.

سه نوع مکانیزم ارتباطات مبتنی بر اعتماد برای سنسور ـ ابر

در این بخش، نخست سنسور ـ ابری ارائه شده است که شامل مکانیزم ارتباطی مبتنی بر اعتماد برای سنسور ـ ابر، سنسور ـ ابر مستقل (ISC) independent sensor-cloud، سنسورـ ابر مبتنی بر همکاری (CSC) collaborative sensor-cloud و سنسور ـ ابری دوجانبه (MSC) mutual sensor-cloud با مورد توجه قرار دادن ارزش اعتماد و آستانه ارزش اعتماد است.

سنسورـابر

سنسورـ ابر، به عنوان یک پارادایم از IIoT، برای عملیات و ارتباطات هوشمند شبکه حسگر بی‌سیم (WSN) wireless sensor network و ابر، با تلفیق آنها، ارائه ساده داده‌های حسگر مطلوب است، بنابراین می‌توان بهتر به افراد خدمت کرد (مانند تصویر ۱).
در سنسور ـ ابر، با ارتباط و واسطه‌گری WSN و ابر، می‌توان داده‌ها را که از طریق گره‌های سنسور در WSN، حس شده و گرد آمده‌اند، به ابر انتقال داد که با ذخیرش قدرتمند و پردازش مراکز داده در ابر، دنبال می‌شوند. سپس داده‌های حسگر پردازش شده را برحسب تقاضا در هر زمان و هر مکانی، از ابر به کاربران، منتقل کرد. این داده‌های حسگر ارائه شده، برای برآورده کردن نیازهای اطلاعاتی افراد هستند.

جدول 1: ویژگی‌های ISC، CSC و MSC

سنسورـ ابری مستقل

همان‌‌طورکه در جدول ۱ نشان داده شده، ارزش‌های اعتماد گره‌های حسگر و ارزش‌های اعتماد مراکز داده، با WSN و ابر به‌طور مستقل تعیین شده‌‌ است. آستانه ارزش اعتماد گره‌های حسگر و مراکز داده نیز با WSN و ابر به‌صورت مستقل، انتخاب می‌شوند. جزئیات این فرایند به صورت زیر نشان داده شده است:

1- WSN، ارزش اعتماد هر گره حسگر را به‌دست می‌آورد و ابر به ارزش اعتماد هر مرکز داده از طریق روش‌های محاسبه ارزش اعتماد، دست می‌یابد.

2- در هر دوره زمانی:
- مسیر انتقال در WSN، شکل داده یا آستانه‌های ارزش اعتماد گره‌های حسگر با WSN تعیین شده‌ است.
- براساس وظیفه در ابر، آستانه ارزش مراکز داده با ابر، انتخاب می‌شود و بعد از اینکه آستانه ارزش اعتماد گره‌های حسگر و مراکز داده، انتخاب شدند؛ گره‌های حسگر قابل اعتماد و مراکز داده قابل اعتماد، به ترتیب در WSN و ابر، به‌کار می‌روند.
3- از WSN تا ابر، داده‌های حسگر، گردآوری و منتقل می‌شوند و از ابر تا کاربران، داده‌های حسگر، ذخیره شده، پردازش شده و برحسب تقاضا، ارائه می‌شوند.

تصویر 2. نسبت TSC به NTSC (٪) در مورد بازده و خروجی سناریو 1: a) P1-F1; b) P1-F2; c) P2-F1; و d) P2-F2

سنسورـ ابر مبتنی بر همکاری

در ارتباط با CSC، به همان صورتی که در جدول 1 نشان داده شده، گام‌های 1 و ۳ CSC، مشابه گام‌های ISC هستند؛ ولی گام ۲ CSC به این صورت نخواهد بود. عمدتا، در ارتباط با انتخاب آستانه ارزش اعتماد در گام ۲ CSC، WSN نه تنها مورد توجه قرار می‌دهد که آیا مسیر انتقال را می‌توان در WSN شکل داد یا خیر؛ بلکه تعاملات قبلی با ابر را که از آستانه ارزش اعتماد گره‌های مختلف سنسور در پیشینه نشأت می‌گیرد، به همراه دارد. به‌همین ترتیب ابر، هر دو مواردی که آیا وظیفه را می‌توان در ابر، برآورده ساخت و تعاملات قبلی با WSN و کاربران را که با آستانه‌های ارزش اعتماد مراکز مختلف داده در گذشته، هدایت می‌شود؛ مورد توجه قرار می‌دهد.

به‌عبارت دیگر، با مقایسه CSC با ISC؛ ارزش‌های اعتماد گره‌های سنسور و مراکز داده، هر دو با WSN و ابر، به‌صورت مستقل، انتخاب می‌شوند، بنابراین آستانه‌های ارزش اعتماد گره‌های سنسور، با همکاری WSN و CSC، تعیین شده‌ است. آستانه‌های ارزش اعتماد مراکز داده نیز با همکاری WSN، ابر و کاربران در CSC، تعیین می‌شوند. همچنین همکاری WSN، ابر و کاربران در طول رویه انتخاب آستانه ارزشی اعتماد، انتخاب آستانه‌های ارزش اعتماد مناسب‌تر، با ملاحظه تعاملات قبلی در میان WSN، ابر و کاربران بوده که با آستانه‌های ارزش اعتماد در پیشینه تفاوت دارند.

سنسور ـ ابر دوجانبه

در ISC و CSC صرفا فرض می‌شود که:
• ارزش‌های اعتماد گره‌های سنسور در WSN و ارزش‌های اعتماد مراکز داده در ابر، وجود دارد.
• آستانه‌های ارزش اعتماد در مورد گره‌های سنسور در WSN و آستانه‌های ارزش اعتماد در مورد مراکز داده در ابر، وجود دارد.
در MSC، به جز موارد بالا، به همان صورتی که در جدول 1، نشان داده شده، فرض بر این است:
• ارزش‌های اعتماد در ارتباط با WSN، ابر و کاربر وجود دارد.
• آستانه‌های ارزش اعتماد دوجانبه میان WSNها و ابرها و کاربران وجود دارد.

در MSC، ارزش‌های اعتماد و آستانه‌های ارزش اعتماد گره‌های سنسور، با WSN، تعیین می‌شوند. همچنین ارزش‌های اعتماد و آستانه‌های ارزش اعتماد مراکز داده با ابر، تعیین شده‌ است. ارزش‌های اعتماد (V-wsn)، ابر (V-cloud) و کاربر (V-user) را می‌توان با سیستم مدیریت و اعتماد به‌دست آورد. آستانه‌های ارزش اعتماد دوجانبه در میان WSNها، ابرها و کاربران، به صورت دوجانبه، توسط آن‌ها تعیین می‌شوند. برای مثال آستانه ارزش اعتماد برای WSN و انتخاب ابر، با WSN تعیین می‌شود. آستانه ارزش اعتماد ، برای ابر و انتخاب WSN، با ابر انتخاب خواهد شد. به همین ترتیب، آستانه ارزش اعتماد برای ابر تا کاربر اعتماد، تصمیم ابر و آستانه ارزش اعتماد و برای کاربر تا ابر اعتماد، تصمیم کاربر است.

تصویر 3. نسبت TSC به NTSC در مورد زمان واکنش در سناریو 1: a) P1-F1; b) P1-F2; c) P2-F1; و d) P2-F2

جزئیات گام‌های MSC به صورت زیر ارائه می‌شود:

• با مقایسه (V-wsn) ،(V-cloud) ،(V-user) ها با d3ها، d4 ،d5 ،d6ها (برای مثال V-wsn باید فراتر از d4 باشد؛ V-cloud باید فراتر از d3 و d6  باشد؛ V-user باید فراتر از d5 باشد) هر WSN، ابر (هایی) را که به آن اعتماد دارد، برمی‌گزیند. با این فرآیند، اعتماد دوجانبه میان WSNها، ابرها و کاربران، برقرار می‌شود (یعنی WSNها، ابرها و اعتماد کاربران به صورت دوجانبه، نسبت به یکدیگر)
• گام 1) از ISC
• گام 2) از ISC
• گام 3) از ISC

در مورد (V-wsn) ،(V-cloud) ،(V-user) مفهوم آن‌ها اطمینانی وجود دارد که WSN، ابر و کاربر به یکدیگر، در رویارویی با عدم اطمینان در تعاملات آتی، از خود نشان می‌دهند. همچنین در رابطه با آستانه‌های ارزش اعتماد دوجانبه، d3 و d6 با یکدیگر تعیین می‌کنند که آیا ابر، واجد شرایط است تا با داده‌های حسگر WSN روبه‌رو شود و تقاضای داده از کاربر را برآورده سازد؟ و آیا و نیز تعیین می‌کنند که WSN و کاربر، به ترتیب قابل اعتماد هستند؟ WSNها، ابرها و کاربران، با استفاده از V-wsnها، V-cloudها، V-userها و d3ها، d4ها، d5ها، d6ها تعاملات دوجانبه همراه با اطمینان را آغاز خواهند کرد.

ارزیابی ارتباطات مبتنی بر اعتماد برای سنسورـ ابر

تعیین اثربخشی ارتباطات مبتنی بر اعتماد در مورد ارتقای QoS که داده حسگر، از طریق کاربران از ارتباطات مبتنی بر اعتماد سنسور ـ ابر برای سنسور ـ ابر (TSC)، حاصل شده است؛ در تضاد با ارتباطات غیرمبتنی بر اعتماد برای سنسور ابری (NTSC) بوده که با یک ابزار شبیه‌سازی با عنوان NetTopo به اجرا درآمده است؛ بازده، خروجی و زمان واکنش به عنوان سنجه‌های ارزیابی به‌کار می‌روند و ارزیابی کامل به‌صورت زیر ارائه می‌شود.

آماده‌سازی ارزیابی

سیستم سنسورـ ابری شامل یک WSN، یک ابر و 10 کاربر می‌شود. یک گره چاهک (گره سینک)، یک گره منبع، و 100 گره سنسور نرمال در WSN با نرخ داده 1000kb/s (کیلوبایت/ثانیه) گنجانده شده‌اند. WSN، داده‌های حسگر را به ابر، ازجمله 10 مرکز داده، انتقال می‌دهد. داده‌های حسگر در ابر نیز برحسب تقاضای هر کار، بیشتر مورد درخواست و تقاضا قرار می‌گیرند. هر دوره زمانی، 1 ثانیه است.

به‌طور کلی ارزش اعتماد گره‌های حسگر و ارزش‌های اعتماد مراکز داده از آستانه و حدود مشخصی در TSC، فراتر است. ارزش‌های اعتماد گره‌های حسگر و ارزش‌های اعتماد مراکز داده، ارزش‌های تصادفی در محدوده‌ای از 0 و 1، در NTSC هستند.

در ادامه دو سناریو، اطلاعاتی را درمورد ارزیابی بیان می‌کنند.

تصویر 4. نسبت TSC به NTSC بر بازده در سناریو  2: a) P1-F1; b) P1-F2; c) P2-F1; و d) P2-F2

سناریو 1:

از مقایسه بازده، خروجی و زمان واکنش TSC و NTSC ،100 شبیه‌سازی با جانمایی‌های مختلف، به‌کار رفته‌ است. در این جانمایی‌ها، تعداد گره‌های حسگر، از 1 تا 20، تغییر کرده و تعداد مراکز داده از 1 تا 5 در مسیر گذر ابر ـ سنسور، برای هر دو TSC و NTSC تغییر می‌کند. در مورد TSC، هر دو آستانه‌های ارزش اعتماد گره‌های حسگر و آستانه‌های ارزش اعتماد مراکز داده، 0.5، تنظیم شده‌ است. از منظر NTSC، هر ارزش اعتماد گره حسگر و هر ارزش اعتماد مرکز داده، همواره مقادیر تصادفی در محدوده‌ای از 0 و 1 هستند.

سناریو 2:

برای تحلیل تاثیرات آستانه ارزش اعتماد بر بازده و زمان واکنش یک جانمایی ویژه که مسیر انتقال سنسور ـ ابر، 10 گره حسگر و 2 مرکز داده را دربرمی‌گیرد؛ برای هر دو TSC و NTSC به‌کار رفته است. برای این جانمایی، آستانه‌های ارزش اعتماد گره‌های حسگر و آستانه‌های ارزش اعتماد مراکز داده، 7 برابر (از 0.0 تا 0.7)، در TSC، متغیر هستند. همچنین برای هر زمان، آستانه ارزش اعتماد تا 0.1 در TSC، افزایش یافته است. در عین حال، ارزش اعتماد هر گره حسگر و ارزش اعتماد هر مرکز داده، همواره مقادیر تصادفی، در محدوده‌ای از 0 و 1 در NTSC هستند.

نسبت (%) TSC به NTSC در بازده و زمان واکنش به‌دست آمده از همان جانمایی (یعنی همان ترکیب تابع ـ توزیع) برای مقایسه عملکرد TSC و NTSC به کار می‌رود؛ زیرا این روند منصفانه‌تر است که تحلیل، براساس بازده و زمان واکنش در رابطه با همان جانمایی باشد. با اشاره بر توزیع یکسان و توزیع نمایی نرمال با P1 و P2 و ارائه تابع معکوس و تابع نمایی منفی، به ترتیب با F1 و F2 چهار ترکیب تابع ـ توزیع (یعنی P1-F1, P1-F2, P2-F1, P2-F2) حاصل شده و مورد تحلیل قرار می‌گیرد.

نتایج ارزیابی

در ارتباط با نسبت TSC به NTSC در بازده و زمان واکنش در سناریوی 1، تصویر 2a-2d و تصویر 3a-3d، نتایج ارزیابی را به ترتیب ترسیم می‌کنند. از این ارقام، می‌توان به دست آورد که در جانمایی‌های مختلف، بازده TSC تقریبا همواره فراتر از بازده NTSC عمل می‌کند، بنابراین همواره زمان واکنش TSC پیش از زمان واکنش NTSC قرار می‌گیرد.

با توجه نسبت به TSC و NTSC در بازده و زمان واکنش در سناریوی 2، تصویر 4a-4d و تصویر 5a-5d، به ترتیب نتایج ارزیابی را تشریح می‌کنند. بنابراین می‌توان آن را از ارقام و آستانه‌های ارزش اعتماد مختلف، به‌دست آورد. هنوز TSC، بازده بزرگ‌تری نسبت به NTSC دارد؛ درحالی‌که TSC هنوز زمان واکنش کوچک‌تری نسبت به NTSC دارد. همچنین می‌توان نسبت TSC به NTSC در بازده و خروجی را افزایش داد و نسبت TSC به NTSC در زمان واکنش را با رشد کلی در آستانه ارزش اعتماد، کاهش داد. براساس تمام نتایج ارزیابی، این امکان وجود دارد که عملکرد حسگر ـ ابر تا حد زیادی با ارتباطات مبتنی بر اعتماد، ارتقا پیدا ‌کند.

تصویر 5. نسبت TSC به NTSC (%) در زمان واکنش در سناریو 2: a) P1-F1; b) P1-F2; c) P2-F1; و d) P2-F2.

مسائل تحقیقات آزاد در ارتباطات مبتنی بر اعتماد برای حسگر و سنسورـ ابر

ارتباطات مبتنی بر اعتماد برای حسگرـ ابر متحرک: در سنسورـ ابر متحرک که قابلیت حرکت و تحرک سنسورها و حسگرها را دارد؛ فرایندی که تعیین می‌کند به کدام ماهیت‌ها می‌توان اعتماد کرد، تحت تاثیر سنسورها و حسگرهای متحرک قرار دارد. بر همین اساس چگونگی محاسبه ارزش اعتماد ماهیت‌ها با ملاحظه تحرک حسگرها، ارزش بیشتری دارد که در مورد آن باید مطالعه نمود.

ارتباطات مبتنی بر اعتماد برای سنسورـ ابر زیرآب:

در ارتباط با سنسورـ ابر زیرآب، گردآوری شواهد در ارتباط با قابلیت اطمینان ماهیت‌ها در زیر آب، اجرا شده است. در چنین موردی، امکان دارد عوامل (برای مثال انتشار صوت) بر فرایند گردآوری تاثیر بگذارد و باید در ارزیابی ارزش‌های اعتماد ماهیت‌ها، محیط زیر آب مورد توجه قرار گیرد.

ارتباطات مبتنی بر اعتماد برای حسگرـ ابر سبز:

با توجه به حسگرـ ابر سبز که حسگرـ ابر برای کنترل یا نظارت سبز است؛ ارتباطات مبتنی بر اعتماد باید مطابق با نیاز سبز باشد، درحالی‌که QoS را برآورده می‌سازد. همچنین اگر QoS با توجه ویژه کنترل آن انجام گیرد؛ این امکان وجود دارد که درستی ارتباطات سبز مبتنی بر اعتماد متمایل به درستی، در سناریوهای کاربری به صورت واقعی به‌کار گرفته شود.

ارتباطات مبتنی بر اعتماد برای حسگر و سنسورـ ابر اجتماعی:

این نوع سنسور که برای یک گروه اجتماعی است. ملاحظه قابلیت اعتماد افراد در گروه اجتماعی، یک مورد بسیار ضروری است؛ این نوع سنسور قابلیت اطمینان و اعتماد را مورد توجه قرار می‌دهد. بر این اساس ممکن است ارزیابی اعتماد اعضای گروه اجتماعی و ارزیابی اعتماد در ماهیت‌های سنسورـ ابر تاثیرگذار باشند.

نتیجه‌گیری

در این مقاله، با تمرکز بر عملکرد IIoT، ارتباطات مبتنی بر اعتماد برای IIoT ارائه شده است. به ویژه سه نوع مکانیزم ارتباطی مبتنی بر اعتماد (ISC، CSC و MSC) برای سنسور ـ ابر فرض شده که یک پارادایم IIoT است. این روند نشان‌ می‌دهد که ارتباطات مبتنی بر اعتماد می‌تواند تا حد زیادی عملکرد سنسورـ ابر با نتایج عددی را ارتقا ببخشد. درنهایت، مسائل تحقیقات آزاد درمورد ارتباطات مبتنی بر اعتماد، برای سنسورـ ابر ارائه شده است.

نشریه IEEE
گردآورنده: علیرضا بنی‌جمالی