A study of the applicability of software-defined networking in industrial networks

173 p.Las redes industriales interconectan sensores y actuadores para llevar a cabo funciones de monitorización, control y protección en diferentes entornos, tales como sistemas de transporte o sistemas de automatización industrial. Estos sistemas ciberfísicos generalmente están soportados por múltiples redes de datos, ya sean cableadas o inalámbricas, a las cuales demandan nuevas prestaciones, de forma que el control y gestión de tales redes deben estar acoplados a las condiciones del propio sistema industrial. De este modo, aparecen requisitos relacionados con la flexibilidad, mantenibilidad y adaptabilidad, al mismo tiempo que las restricciones de calidad de servicio no se vean afectadas. Sin embargo, las estrategias de control de red tradicionales generalmente no se adaptan eficientemente a entornos cada vez más dinámicos y heterogéneos.Tras definir un conjunto de requerimientos de red y analizar las limitaciones de las soluciones actuales, se deduce que un control provisto independientemente de los propios dispositivos de red añadiría flexibilidad a dichas redes. Por consiguiente, la presente tesis explora la aplicabilidad de las redes definidas por software (Software-Defined Networking, SDN) en sistemas de automatización industrial. Para llevar a cabo este enfoque, se ha tomado como caso de estudio las redes de automatización basadas en el estándar IEC 61850, el cual es ampliamente usado en el diseño de las redes de comunicaciones en sistemas de distribución de energía, tales como las subestaciones eléctricas. El estándar IEC 61850 define diferentes servicios y protocolos con altos requisitos en terminos de latencia y disponibilidad de la red, los cuales han de ser satisfechos mediante técnicas de ingeniería de tráfico. Como resultado, aprovechando la flexibilidad y programabilidad ofrecidas por las redes definidas por software, en esta tesis se propone una arquitectura de control basada en el protocolo OpenFlow que, incluyendo tecnologías de gestión y monitorización de red, permite establecer políticas de tráfico acorde a su prioridad y al estado de la red.Además, las subestaciones eléctricas son un ejemplo representativo de infraestructura crítica, que son aquellas en las que un fallo puede resultar en graves pérdidas económicas, daños físicos y materiales. De esta forma, tales sistemas deben ser extremadamente seguros y robustos, por lo que es conveniente la implementación de topologías redundantes que ofrezcan un tiempo de reacción ante fallos mínimo. Con tal objetivo, el estándar IEC 62439-3 define los protocolos Parallel Redundancy Protocol (PRP) y High-availability Seamless Redundancy (HSR), los cuales garantizan un tiempo de recuperación nulo en caso de fallo mediante la redundancia activa de datos en redes Ethernet. Sin embargo, la gestión de redes basadas en PRP y HSR es estática e inflexible, lo que, añadido a la reducción de ancho de banda debida la duplicación de datos, hace difícil un control eficiente de los recursos disponibles. En dicho sentido, esta tesis propone control de la redundancia basado en el paradigma SDN para un aprovechamiento eficiente de topologías malladas, al mismo tiempo que se garantiza la disponibilidad de las aplicaciones de control y monitorización. En particular, se discute cómo el protocolo OpenFlow permite a un controlador externo configurar múltiples caminos redundantes entre dispositivos con varias interfaces de red, así como en entornos inalámbricos. De esta forma, los servicios críticos pueden protegerse en situaciones de interferencia y movilidad.La evaluación de la idoneidad de las soluciones propuestas ha sido llevada a cabo, principalmente, mediante la emulación de diferentes topologías y tipos de tráfico. Igualmente, se ha estudiado analítica y experimentalmente cómo afecta a la latencia el poder reducir el número de saltos en las comunicaciones con respecto al uso de un árbol de expansión, así como balancear la carga en una red de nivel 2. Además, se ha realizado un análisis de la mejora de la eficiencia en el uso de los recursos de red y la robustez alcanzada con la combinación de los protocolos PRP y HSR con un control llevado a cabo mediante OpenFlow. Estos resultados muestran que el modelo SDN podría mejorar significativamente las prestaciones de una red industrial de misión crítica

Classifying resilience approaches for protecting smart grids against cyber threats

Smart grids (SG) draw the attention of cyber attackers due to their vulnerabilities, which are caused by the usage of heterogeneous communication technologies and their distributed nature. While preventing or detecting cyber attacks is a well-studied field of research, making SG more resilient against such threats is a challenging task. This paper provides a classification of the proposed cyber resilience methods against cyber attacks for SG. This classification includes a set of studies that propose cyber-resilient approaches to protect SG and related cyber-physical systems against unforeseen anomalies or deliberate attacks. Each study is briefly analyzed and is associated with the proper cyber resilience technique which is given by the National Institute of Standards and Technology in the Special Publication 800-160. These techniques are also linked to the different states of the typical resilience curve. Consequently, this paper highlights the most critical challenges for achieving cyber resilience, reveals significant cyber resilience aspects that have not been sufficiently considered yet and, finally, proposes scientific areas that should be further researched in order to enhance the cyber resilience of SG.Open Access funding provided thanks to the CRUE-CSIC agreement with Springer Nature. Funding for open access charge: Universidad de Málaga / CBUA

Kommunikation und Bildverarbeitung in der Automation

In diesem Open-Access-Tagungsband sind die besten Beiträge des 9. Jahreskolloquiums "Kommunikation in der Automation" (KommA 2018) und des 6. Jahreskolloquiums "Bildverarbeitung in der Automation" (BVAu 2018) enthalten. Die Kolloquien fanden am 20. und 21. November 2018 in der SmartFactoryOWL, einer gemeinsamen Einrichtung des Fraunhofer IOSB-INA und der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe statt. Die vorgestellten neuesten Forschungsergebnisse auf den Gebieten der industriellen Kommunikationstechnik und Bildverarbeitung erweitern den aktuellen Stand der Forschung und Technik. Die in den Beiträgen enthaltenen anschaulichen Beispiele aus dem Bereich der Automation setzen die Ergebnisse in den direkten Anwendungsbezug

A framework for Traffic Engineering in software-defined networks with advance reservation capabilities

298 p.En esta tesis doctoral se presenta una arquitectura software para facilitar la introducción de técnicas de ingeniería de tráfico en redes definidas por software. La arquitectura ha sido diseñada de forma modular, de manera que soporte múltiples casos de uso, incluyendo su aplicación en redes académicas. Cabe destacar que las redes académicas se caracterizan por proporcionar servicios de alta disponibilidad, por lo que la utilización de técnicas de ingeniería de tráfico es de vital importancia a fin de garantizar la prestación del servicio en los términos acordados. Uno de los servicios típicamente prestados por las redes académicas es el establecimiento de circuitos extremo a extremo con una duración determinada en la que una serie de recursos de red estén garantizados, conocido como ancho de banda bajo demanda, el cual constituye uno de los casos de uso en ingeniería de tráfico más desafiantes. Como consecuencia, y dado que esta tesis doctoral ha sido co-financiada por la red académica GÉANT, la arquitectura incluye soporte para servicios de reserva avanzada. La solución consiste en una gestión de los recursos de red en función del tiempo, la cual mediante el empleo de estructuras de datos y algoritmos específicamente diseñados persigue la mejora de la utilización de los recursos de red a la hora de prestar este tipo de servicios. La solución ha sido validada teniendo en cuenta los requisitos funcionales y de rendimiento planteados por la red GÉANT. Así mismo, cabe destacar que la solución será utilizada en el despliegue piloto del nuevo servicio de ancho de banda bajo demanda de la red GÉANT a finales del 2017

A framework for Traffic Engineering in software-defined networks with advance reservation capabilities

298 p.En esta tesis doctoral se presenta una arquitectura software para facilitar la introducción de técnicas de ingeniería de tráfico en redes definidas por software. La arquitectura ha sido diseñada de forma modular, de manera que soporte múltiples casos de uso, incluyendo su aplicación en redes académicas. Cabe destacar que las redes académicas se caracterizan por proporcionar servicios de alta disponibilidad, por lo que la utilización de técnicas de ingeniería de tráfico es de vital importancia a fin de garantizar la prestación del servicio en los términos acordados. Uno de los servicios típicamente prestados por las redes académicas es el establecimiento de circuitos extremo a extremo con una duración determinada en la que una serie de recursos de red estén garantizados, conocido como ancho de banda bajo demanda, el cual constituye uno de los casos de uso en ingeniería de tráfico más desafiantes. Como consecuencia, y dado que esta tesis doctoral ha sido co-financiada por la red académica GÉANT, la arquitectura incluye soporte para servicios de reserva avanzada. La solución consiste en una gestión de los recursos de red en función del tiempo, la cual mediante el empleo de estructuras de datos y algoritmos específicamente diseñados persigue la mejora de la utilización de los recursos de red a la hora de prestar este tipo de servicios. La solución ha sido validada teniendo en cuenta los requisitos funcionales y de rendimiento planteados por la red GÉANT. Así mismo, cabe destacar que la solución será utilizada en el despliegue piloto del nuevo servicio de ancho de banda bajo demanda de la red GÉANT a finales del 2017

The Virtual Bus: A Network Architecture Designed to Support Modular-Redundant Distributed Periodic Real-Time Control Systems

The Virtual Bus network architecture uses physical layer switching and a combination of space- and time-division multiplexing to link segments of a partial mesh network together on schedule to temporarily form contention-free multi-hop, multi-drop simplex signalling paths, or 'virtual buses'. Network resources are scheduled and routed by a dynamic distributed resource allocation mechanism with self-forming and self-healing characteristics. Multiple virtual buses can coexist simultaneously in a single network, as the resources allocated to each bus are orthogonal in either space or time. The Virtual Bus architecture achieves deterministic delivery times for time-sensitive traffic over multi-hop partial mesh networks by employing true line-speed switching; delays of around 15ns at each switching point are demonstrated experimentally, and further reductions in switching delays are shown to be achievable. Virtual buses are inherently multicast, with delivery skew across multiple destinations proportional to the difference in equivalent physical length to each destination. The Virtual Bus architecture is not a purely theoretical concept; a small research platform has been constructed for development, testing and demonstration purposes

High-Performance Modelling and Simulation for Big Data Applications

This open access book was prepared as a Final Publication of the COST Action IC1406 “High-Performance Modelling and Simulation for Big Data Applications (cHiPSet)“ project. Long considered important pillars of the scientific method, Modelling and Simulation have evolved from traditional discrete numerical methods to complex data-intensive continuous analytical optimisations. Resolution, scale, and accuracy have become essential to predict and analyse natural and complex systems in science and engineering. When their level of abstraction raises to have a better discernment of the domain at hand, their representation gets increasingly demanding for computational and data resources. On the other hand, High Performance Computing typically entails the effective use of parallel and distributed processing units coupled with efficient storage, communication and visualisation systems to underpin complex data-intensive applications in distinct scientific and technical domains. It is then arguably required to have a seamless interaction of High Performance Computing with Modelling and Simulation in order to store, compute, analyse, and visualise large data sets in science and engineering. Funded by the European Commission, cHiPSet has provided a dynamic trans-European forum for their members and distinguished guests to openly discuss novel perspectives and topics of interests for these two communities. This cHiPSet compendium presents a set of selected case studies related to healthcare, biological data, computational advertising, multimedia, finance, bioinformatics, and telecommunications

High-Performance Modelling and Simulation for Big Data Applications

This open access book was prepared as a Final Publication of the COST Action IC1406 “High-Performance Modelling and Simulation for Big Data Applications (cHiPSet)“ project. Long considered important pillars of the scientific method, Modelling and Simulation have evolved from traditional discrete numerical methods to complex data-intensive continuous analytical optimisations. Resolution, scale, and accuracy have become essential to predict and analyse natural and complex systems in science and engineering. When their level of abstraction raises to have a better discernment of the domain at hand, their representation gets increasingly demanding for computational and data resources. On the other hand, High Performance Computing typically entails the effective use of parallel and distributed processing units coupled with efficient storage, communication and visualisation systems to underpin complex data-intensive applications in distinct scientific and technical domains. It is then arguably required to have a seamless interaction of High Performance Computing with Modelling and Simulation in order to store, compute, analyse, and visualise large data sets in science and engineering. Funded by the European Commission, cHiPSet has provided a dynamic trans-European forum for their members and distinguished guests to openly discuss novel perspectives and topics of interests for these two communities. This cHiPSet compendium presents a set of selected case studies related to healthcare, biological data, computational advertising, multimedia, finance, bioinformatics, and telecommunications