Les futures architectures d automatisme

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1 France Les futures architectures d automatisme Vers l Industrial Etthernet of Things En partenariat avec Standards Certification Education & Training Jean-Pierre Hauet ISA-France Publishing Conferences & Exhibits

2 Industrie 4.0 : avatar de l Internet de tous les objets Le concept Industrie 4.0 est la formalisation des opportunités offertes à l industrie manufacturière par le développement de la numérisation et des communications, notamment de l IoT (Internet of Things) et de l IoE (Internet of Everything) d après Cisco Le concept peut être étendu aux industries de process

3 Les échanges d information vont prendre des proportions considérables 50 Md d objets connectés en 2020 ne représenteront cependant que 2.7 % des objets identifiables à cette échéance Source : Cisco

4 L intérêt pour l industrie Dans l industrie de process comme dans le manufacturier, on attend de l I 2 OT: o Une meilleure visibilité sur les procédés o Des communications plus directes, plus rapides o Une distribution optimale des données et des traitements o Une réactivité accrue o Une maintenance simplifiée o Une standardisation accrue o Une diminution des coûts o Une intégration totale entre les mondes de l IT et de l OT

5 Quelle sera la 4 ème génération de systèmes de contrôle? 1 ère génération : systèmes analogiques, relais 2 ème génération : miniordinateurs, automates programmables, «stand alone controllers» Le premier automate : le 084 de Richard E Morley (Modicon 1969) 3 ème génération : SNCC (DCS) et systèmes d automatismes (avec extensions aux réseaux de terrain à partir de 1990) et à Internet Le TDC 2000 d Honeywell (1975)

6 L architecture fonctionnelle de la 3 ème génération n est pas obsolète Contrôle Gestion Stratégie Niveau 5 b : Stratégie Direction Niveau 5 a : Planification Allocation de la charge aux usines Niveau 4 Production de l usine Planification Logistique ERP Niveau 3 : Coordination interunités MES Niveau 2 : Contrôle et supervision de l unité Niveau 1 : Contrôle du procédé Automatismes Niveau 0 : Procédé Terrain Capteurs Actionneurs Source : d après ISA 95 et modèle de Purdue

7 Mais l implémentation classique ne permet pas d atteindre les objectifs d Industrie 4.0 Internet Supervision Routeur Firewall CAO Ingénierie Réseau d entreprise Réseau de contrôle Modem Contrôle Maintenance Réseau de terrain

8 L architecture de 4 ème génération doit répondre à plusieurs objectifs Mieux s insérer dans une architecture de communication globale fondée sur IP (IoT ou IoE) Tirer parti des standards et des technologies des mondes de l informatique et des télécommunications Continuer à satisfaire les contraintes propres aux systèmes de contrôle : Performances temps réel/temps critique Disponibilité Sécurité Modularité, adaptitivité, extensibilité, etc. Sans introduire de nouvelles vulnérabilités cyber-sécuritaires Industrial Internet of Things (I 2 ot)

9 Une solution «tout cloud» n est pas concevable Cloud

10 Tenir compte des obstacles Technologies de rupture Absence de compatibilité avec la base installée Investissements de transition importants Absence de maitrise d œuvre générale du problème Réticence des fournisseurs de composants et de de systèmes Cependant de nombreux briques technologiques existent L ISA a a ouvert la voie à une première étape

11 Les principes de l ISA a Un réseau local sans-fil de capteurs et d actionneurs, couvrant un large éventail d applications, communiquant avec le niveau supérieur au travers d un routeur de tête (backbone router)

12 Architecture-type ISA a

13 Une réponse aux exigences du monde industriel Disponibilité & fiabilité Coexistence Faible latence & determinisme Securité Longue vie des batteries Distance & débit Ouverture & Interoperabilité Qualité de service Competitivité Modularité & extensibilté Back Haul connectivité

14 Disponibilité Disponibilté L architecture maillée est auto-cicatrisante et permet le reroutage des trames si un segment est saturé ou interrompu

15 Coexistence Coexistence Utilisation des 16 canaux de l IEEE avec étalement DSSS dans chaque canal Saut de fréquence pour éviter les interférences CCA : Clear Channel Assessment Mode duocast Blacklisting de canaux pour coexistence avec WiFi

16 Faible latence & déterminisme Faible latence & determinisme Timeslots courts (10 to 12 ms) Mode Fast hopping pour trafic déterministe Mode Slow hopping pour tranfert de données plus importants : messagerie, accueil de nouveaux devices, activation de CSMA-CA Support des architectures «star» (vitesse) or «meshed» (disponibilité) or hybrides Limitation possible du nombre de sauts

17 ISA a : I 2 ot ready ISA a ouvre la voie aux futures architectures I 2 ot (Industrial Internet of Things) associant : Réseaux locaux à faible consommation, filaires ou sans-fil Réseaux de capteurs (SN) dans le monde insutriel Low Power and Lossy Network (LNN) dans le monde Internet Neighborhood Area Network (NAN) dans le monde smart grids Réseau Internet IPV6

18 ISA a s appuie sur les standards existants IEEE et IETF

19 I 2 ot : la nécessaire convergence ISA, IEEE, IETF I 2 ot devra reposer sur une ensemble de technologies et de standards reconnus par les trois organismes et compatibles entre eux De gros progrès ont été réalisés mais des travaux importants restent nécessaires Des briques existent : il faut les assembler

20 ISA 100-WG18 : Power sources Dans une optique de développement de réseaux sans fil, le problème de l autonomies des batteries est essentiel pour le développement des réseaux de capteurs. Les protocoles WPAN dérivés de l IEEE permettent de réduire fortement les consommations d énergie par rapport à d autres solutions (Wi-Fi et Bluetooth) : équipements en sommeil > 97% du temps, trames courtes, overheads limités Les techniques d energy harvesting permettent aujourd hui d envisager de se passer complètement de batteries : Systèmes photovoltaïques Systèmes à induction Systèmes piézo-électriques Systèmes thermoélectriques Couplage inductif de bobines

21 Energy harvesting Capteurs de vibration à induction Source : Perpetuum Capteurs de vibration piézo électriques (de 100 à Hz 25 à 100 µw) Source : Bolt Capteurs thermoélectriques Source : Evergen Couplage inductif Source : Witricity Capture des ondes TV Source : Univ. Washington

22 ISA 100-WG15 Normalisation des interfaces du backhaul ` Common Network Manager Common Shared Network Wireless Industrial Network Gateway Backhaul interface Wireless Industrial Network Access Point Backhaul Wireless System manager Backhaul interface Wi Fi n,ac WiMAX 4G Satellites /WiFi Wireless Industrial Network Wireless industrial Network Gateway Voir rapport technique ISA d4 TR / TID 1221 Backhaul Architecture Model

23 ISA 100-WG20 : Common Network Management ` Common Network Manager Logical management connection Common Shared Network Wireless Industrial Network Gateway Backhaul Interface Backhaul Access Point Wireless Industrial Network WirelessHart Wireless System Manager Backhaul Interface Wi-FI Wireless Industrial Network ISA a Wireless Industrial Network Gateway Le Common Network Management permettra de coordonner plusieurs sous réseaux compatibles CNM en termes de : Gestion des fréquences Règles d adressage local Sécurité et gestion des droits d accès Supervision des réseaux, etc.

24 IEEE : le standard EEE ( ) : standard des WPAN (Wireless Personal Area Network) pour couches physique et MAC Etalement de spectre DSSS Accès aléatoire : CSMA-CA 2005 ZigBee : protocole de haut niveau basé sur IEEE WirelessHart (IEC 62591) : protocole de haut-niveau issu des travaux du comité ISA 100, basé sur IEEE avec architecture maillée et accès déterministe ISA a : protocole de haut-niveau, basé sur IEEE et 6 LowPAN, avec architecture maillée et accès déterministe IEEE e TSCH : amendement introduisant le Time Slotted Channel Hopping au dessus de l IEEE IEEE g : amendement définissant une couche physique radio pour les smart Uitility networks (NAN)

25 IEEE e TSCH Reprise des principes de l ISA a Introduction d une couche MAC avec saut de fréquence déterministe pour répondre aux exigences de coexistence, résistance aux interférences et au fading. A C B E D G F I J H

26 IETF : 6LoWPAN L interconnexion entre les réseaux LLN (du type IEEE ) pose plusieurs problèmes : Longueurs des trames : 1280 octets en IPV6, 127 en IEEE fragmentation et réassemblage nécessaire Entêtes de 40 octets en IPv6 compression nécessaire Adaptation des règles de routage aux contraintes du (puissances CPU et capacités de mémoire limitée) Routage sur la base des fragments (mesh-under) ou de trame reconstituée (route over) L autoconfiguration des adresses IP La supervision et la gestion du réseau Ces questions sont traitées dans le standard 6LoWPAN

27 IETF : exemple de problème traité dans 6LoWPAN : la longueur des entêtes Trame : 127 octets 23 octets 21 octets 40 octets 8 octets 2 octets Entête MAC AES CCM 128 En tête IPV6 UDP Data : 33 octets TSC 20 octets TCP Data : 21 octets TSC L utilisation des entêtes IPV6 dans les trames ramènerait l efficacité du protocole à 26 % en UDP et 16.5 % en TCP. 6LoWPAN permet une efficacité de 55 à 60 % en UDP et de 51 à 55 % en TCP-IP.

28 IEEE : Constrained Application Protocol (CoAP) Protocole de niveau «application» dédié aux dispositifs dotés de faibles ressources (notamment capteurs, actionneurs) Mappable avec HTTP Faibles frais généraux Multicast supporté Permet d intégrer dans le monde IP les constituants des LLN et WSN

29 Constrained Application Protocol (CoAP) Protocole couche application Passerelle (niveau 7). 4G, Wi Fi, filaire... Internet ou Intranet Services clients Web Monde propriétaire Monde IP

30 Constrained Application Protocol (CoAP) Réseau de capteurs (WSN) CoAP HTTP CoAP Routeur (niveau 3). Internet ou Intranet HTTP CoAP Monde IP

31 Le maillon manquant : IETF 6TiSCH Stack ISA a Natif ISA et protocoles existants (tunneling) UDP (IETF RFC768) 6LowPAN (IETF RFC 4944) ISA a MAC : IEEE IEE (2.4 GHz) I 2 OT CoAP UDP 6LowPAN «GAP» : 6TiSCH IEEE e TSCH IEEE Interactions Web like Intégration Internet Scheduling Communications 6TiSCH standardisera la gestion des réseaux LLN de façon à permettre les liaisons point à point et point multipoint à l intérieur de ces réseaux, y compris en environnement mobile

32 Le problème de la cyber-sécurité L intégration totale IT/OT accroit considérablement la surface d attaque Le seul contrôle des points d accès (Antivirus, IDS) et des trafics interzones (pare-feu) est insuffisant : points d accès très nombreux, périmètre inconnu et évolutif, attaques zeroday, attaques à effet différé, etc. Beaucoup d éléments constitutifs seront hétérogènes Les concepts ISA-99, OPC-UA, EDSA apportent des réponses partielles Il faut songer à un système cyber-sécuritaire dont tous les constituants concourent à la sécurité au lieu de travailler en silo

33 IF-MAP Proposé en 2010 par le Trust Computing Group Système dans lequel tous les constituants mettent en commun leurs attributs cyber-sécuritaires et dans lequel tous les échanges sont assujettis à vérification préalable via un serveur de meta-données En cours d évaluation par le groupe ISA 100 WG20

34 Vers un réseau social des devices dans une approche «fog computing». Cloud Data centers Serveur virtuel Exchange Security manager Wireless system manager G End to end IPv6 routing Routeurs de tête multiservice... Mobilité. Contrôleurs locaux Fog devices

35 France Merci de votre attention En partenariat avec Standards ISA-France Certification Education & Training Publishing Conferences & Exhibits