Performance Analysis in IP-Based Industrial Communication Networks

S rostoucím počtem řídicích systémů a jejich distribuovanosti získávájí komunikační sítě na důležitosti a objevují se nové výzkumné trendy. Hlavní problematikou v této oblasti, narozdíl od dřívějších řídicích systémů využívajících dedikovaných komunikačních obvodů, je časově proměnné zpoždění měřicích a řídicích signálů způsobené paketově orientovanými komunikačními prostředky, jako např. Ethernet. Aspekty komunikace v reálném čase byly v těchto sítích již úspěšně vyřešeny. Nicméně, analýzy trendů trhu předpovídají budoucí využití také IP sítí v průmyslové komunikaci pro časově kritickou procesní vyměnu dat. IP komunikace má ovšem pouze omezenou podporu v instrumentaci pro průmyslovou automatizace. Tato výzva byla nedávno technicky vyřešena v rámci projektu Virtual Automation Networks (virtuální automatizační sítě - VAN) zapojením mechanismů kvality služeb (QoS), které jsou schopny zajistit měkkou úroveň komunikace v reálném čase. Předložená dizertační práce se zaměřuje na aspekty výkonnosti reálného času z analytického hlediska a nabízí prostředek pro hodnocení využitelnosti IP komunikace pro budoucí průmyslové aplikace. Hlavním cílem této dizertační práce je vytvoření vhodného modelovacího rámce založeného na network calculus, který pomůže provést worst-case výkonnostní analýzu časového chování IP komunikačních sítí a jejich prvků určených pro budoucí použití v průmyslové automatizaci. V práci byla použita empirická analýza pro určení dominantních faktorů ovlivňujících časového chování síťových zařízení a identifikaci parametrů modelů těchto zařízení. Empirická analýza využívá nástroj TestQoS vyvinutý pro tyto účely. Byla navržena drobná rozšíření rámce network calculus, která byla nutná pro modelování časového chování používaných zařízení. Bylo vytvořeno několik typových modelů zařízení jako výsledek klasifikace různých architektur síťových zařízení a empiricky zjištěných dominantních faktorů. U modelovaných zařízení byla využita nová metoda identifikace parametrů. Práce je zakončena validací časových modelů dvou síťových zařízení (přepínače a směrovače) oproti empirickým pozorováním.With the growing scale of control systems and their distributed nature, communication networks have been gaining importance and new research challenges have been appearing. The major problem, contrary to previously used control systems with dedicated communication circuits, is time-varying delay of control and measurement signals introduced by packet-switched networks, such as Ethernet. The real-time issues in these networks have been tackled by proper adaptations. Nevertheless, market trend analyses foresee also future adoptions of IP-based communication networks in industrial automation for time-critical run-time data exchange. IP-based communication has only a limited support from the existing instrumentation in industrial automation. This challenge has recently been technically tackled within the Virtual Automation Networks (VAN) project by adopting the quality of service (QoS) architecture delivering soft-real-time communication behaviour. This dissertation focuses on the real-time performance aspects from the analytical point of view and provides means for applicability assessment of IP-based communication for future industrial applications. The main objective of this dissertation is establishment of a relevant modelling framework based on network calculus which will assist worst-case performance analysis of temporal behaviour of IP-based communication networks and networking devices intended for future use in industrial automation. Empirical analysis was used to identify dominant factors influencing the temporal performance of networking devices and for model parameter identification. The empirical analysis makes use of the TestQoS tool developed for this purpose. Minor extensions to the network calculus framework were proposed enabling to model the required temporal behaviour of networking devices. Several exemplary models were inferred as a result of classification of different networking device architectures and empirically identified dominant factors. A novel method for parameter identification was used with the modelled devices. Finally, two temporal models of networking devices (a switch and a router) were validated against empirical observations.

Cyber-physical manufacturing systems: An architecture for sensor integration, production line simulation and cloud services

none9noThe pillars of Industry 4.0 require the integration of a modern smart factory, data storage in the Cloud, access to the Cloud for data analytics, and information sharing at the software level for simulation and hardware-in-the-loop (HIL) capabilities. The resulting cyber-physical system (CPS) is often termed the cyber-physical manufacturing system, and it has become crucial to cope with this increased system complexity and to attain the desired performances. However, since a great number of old production systems are based on monolithic architectures with limited external communication ports and reduced local computational capabilities, it is difficult to ensure such production lines are compliant with the Industry 4.0 pillars. A wireless sensor network is one solution for the smart connection of a production line to a CPS elaborating data through cloud computing. The scope of this research work lies in developing a modular software architecture based on the open service gateway initiative framework, which is able to seamlessly integrate both hardware and software wireless sensors, send data into the Cloud for further data analysis and enable both HIL and cloud computing capabilities. The CPS architecture was initially tested using HIL tools before it was deployed within a real manufacturing line for data collection and analysis over a period of two months.openPrist Mariorosario; Monteriu' Andrea; Pallotta Emanuele; Cicconi Paolo; Freddi Alessandro; Giuggioloni Federico; Caizer Eduard; Verdini Carlo; Longhi SauroPrist, Mariorosario; Monteriu', Andrea; Pallotta, Emanuele; Cicconi, Paolo; Freddi, Alessandro; Giuggioloni, Federico; Caizer, Eduard; Verdini, Carlo; Longhi, Saur

A Survey on Industrial Control System Testbeds and Datasets for Security Research

The increasing digitization and interconnection of legacy Industrial Control Systems (ICSs) open new vulnerability surfaces, exposing such systems to malicious attackers. Furthermore, since ICSs are often employed in critical infrastructures (e.g., nuclear plants) and manufacturing companies (e.g., chemical industries), attacks can lead to devastating physical damages. In dealing with this security requirement, the research community focuses on developing new security mechanisms such as Intrusion Detection Systems (IDSs), facilitated by leveraging modern machine learning techniques. However, these algorithms require a testing platform and a considerable amount of data to be trained and tested accurately. To satisfy this prerequisite, Academia, Industry, and Government are increasingly proposing testbed (i.e., scaled-down versions of ICSs or simulations) to test the performances of the IDSs. Furthermore, to enable researchers to cross-validate security systems (e.g., security-by-design concepts or anomaly detectors), several datasets have been collected from testbeds and shared with the community. In this paper, we provide a deep and comprehensive overview of ICSs, presenting the architecture design, the employed devices, and the security protocols implemented. We then collect, compare, and describe testbeds and datasets in the literature, highlighting key challenges and design guidelines to keep in mind in the design phases. Furthermore, we enrich our work by reporting the best performing IDS algorithms tested on every dataset to create a baseline in state of the art for this field. Finally, driven by knowledge accumulated during this survey's development, we report advice and good practices on the development, the choice, and the utilization of testbeds, datasets, and IDSs

Kommunikation und Bildverarbeitung in der Automation

In diesem Open Access-Tagungsband sind die besten Beiträge des 11. Jahreskolloquiums "Kommunikation in der Automation" (KommA 2020) und des 7. Jahreskolloquiums "Bildverarbeitung in der Automation" (BVAu 2020) enthalten. Die Kolloquien fanden am 28. und 29. Oktober 2020 statt und wurden erstmalig als digitale Webveranstaltung auf dem Innovation Campus Lemgo organisiert. 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 anschauliche Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der Automation setzen die Ergebnisse in den direkten Anwendungsbezug