حلول موثوقة تقريبا

الميزة الرئيسية في سوق إنترنت الأشياء هي التكلفة. لذلك ، تعطى الأولوية للمكونات الرخيصة ولكن غير الموثوق بها. أجهزة غير موثوقة تنكسر وترتكب أخطاء وتتجمد وتتطلب صيانة. ليس من المعتاد التحدث عن عدم الموثوقية في المؤتمرات ، ولكن هذا هو بالضبط ما كرس تقرير ستانيسلاف إليزاروف ( elstas ) عن InoThings ++ فيه - كيف لا يعمل كل شيء.



تحت الخفض ، سنناقش طرق التعويض عن عدم موثوقية المعدات وقنوات الاتصال والأفراد الذين يستخدمون البرمجيات ؛ مشاكل التسامح مع الخطأ وحلولها ؛ عامل بشري شريط كهربائي وجوارب كوسيلة عالمية لإصلاح المركبات الفضائية ونقل البيانات بالشاحنات.


نبذة عن المتحدث : يعمل ستانيسلاف إليزاروف في قسم البنية التحتية للشبكة في شركة STRIZH ، التي تنتج العدادات ، وأجهزة الاستشعار ، ومحطات LTE الأساسية ، كما تجمع القراءات التي لا تعمل فيها أي أنظمة اتصال أخرى.

انعدام الأمن

"إذا لم ينجح شيء ما ، فهو قديم بالفعل."

هذا اقتباس من الفيلسوف الكندي مارشال ماكلوهان ، الذي يصف بدقة الحالة. كل شيء يرفض: تجميد أجهزة الكمبيوتر ، تباطؤ الهواتف الذكية ، المصاعد تتوقف بين الطوابق ، تحقيقات الفضاء تائه ، والناس يخطئون.

الأخطاء الأولى

موضوع الموثوقية ، ولا سيما من جانبها ، هو التسامح مع الخطأ ، كبير مثل الأمن. الحرف S في المصطلح IoT مسؤول عن الأمان ، والحرف R مسؤول عن الموثوقية - الموثوقية.

إذا تحدثنا عن الموثوقية والأخطاء ، فلنتذكر يوهان غوتنبرغ . رسميا ، هو أول طابعة ، ووفقًا لإلف وبتروف ، فهو أول طابعة لأنه ارتكب العديد من الأخطاء في كتابه المقدس.



تطورت تكنولوجيا غوتنبرغ ، ونمت سوق الكتب ، وازداد حجمها ، ومعها أخطاء. بعد 50 سنة من طباعة أول كتاب ، توصل غابرييل بيري إلى Errata - قائمة بالأخطاء المطبعية في نهاية الكتاب. لقد كانت خدعة جيدة ، لأن إعادة كتابة الدُفعات الكبيرة غير مريح وغير مربح اقتصاديًا. إذا لاحظ القارئ وجود خطأ مطبعي ، فإنه يفتح ببساطة قائمة من الأخطاء وينظر في التصحيحات الهامة. زعيم الأخطاء المطبعية كان توماس أكويناس ومجموعته اللاهوتية - 180 صفحة من الأخطاء في الأخطاء الرسمية.

الأخطاء الحديثة تنتج من قبل منتجي الحديد. في الصورة أدناه ، الخطأ الرسمي لرقاقة CC1101 الأكثر شعبية ، والذي لا يزال ساريًا. في قائمة الأخطاء ، لا تقبل الشريحة في بعض الأحيان شيئًا ، وأحيانًا تنقل شيئًا خاطئًا ، وأحيانًا لا تعمل PLL دائمًا. هذا ليس ما تتوقعه من معالج كبير موجود منذ عقود.



مثال آخر هو المعالج الدقيق MSP430 ، المبني على مجموعة من التعليمات. يشبه المعالج الدقيق PDP-11 ، والذي طور عليه Kernigan و Ritchie Unix. ليست هذه هي Errat Thomas Aquinas ، لكن الشركة المصنعة تقدم لنا 27 صفحة من الأخطاء ، والكثير منها حتى هو نفسه لا يعرف كيفية حلها.

هذا هو بالضبط ما هو غير واضح على إنترنت الأشياء. نقرأ ورقة بيانات شريحة رخيصة ونرى أن كل شيء على ما يرام ويعمل كل شيء ، حتى نفتح الصفحات الأخيرة مع قائمة الأخطاء.

عامل بشري

مع الحديد ، يكون الأمر أكثر وضوحًا أو أقل ، يتم وصف الأخطاء واستنساخها ، لكن أكبر مصدر للأخطاء في أنظمة إنترنت الأشياء هو الإنسان .

في 13 كانون الثاني (يناير) 2018 ، تلقى جميع سكان جافاييف تنبيهًا على الهواتف المحمولة حول تهديد صاروخي وأنهم بحاجة للاختباء في ملجأ للقنابل.



ليس من الواضح من كان مخطئًا بالضبط: المشغل أو الشخص الذي صمم الواجهة. لكن إذا نظرت إلى الصورة ، فإن الإجابة تشير إلى نفسها. ما الذي يجب الضغط عليه لبدء اختبار ، بدلاً من القتال ، لتحذير من تهديد صاروخي؟ إذا كنت لا تعرف الإجابة ، فأنت مخطئ.




ضغط المشغل على الزر الخطأ ، وبدأت المراسلات الجماعية. لم يكن لدى النظام أي معايير يمكن من خلالها منع أو تأكيد الإرسال: "هل أنت متأكد من أنك تريد التحذير من تهديد الصواريخ؟" استغرق الأمر 30 دقيقة حتى يدرك موظفو المركز ما حدث وأن يرسلوا رسالة تفيد بأن الهجوم كان خطأ.

الرجل هو نظام موثوق

لماذا لا نرى هذه الأخطاء ولا نعتقد أن هناك شيئا خطأ؟ لأن الرجل نفسه يصحح كل الأخطاء.

نحن معتادون على إصلاح الخلل.

إذا شعرنا أن الكمبيوتر لا يعمل بشكل جيد للغاية ، فسنقوم بإعادة تشغيله. إذا رأينا أن الاتصالات المتنقلة قد اختفت ، فنحن نبحث عن مكان تربح فيه. إذا لم يعمل الجهاز ، فإننا نقوم بإصلاحه.

تُظهر الصورة أدناه ذكاءً إنسانياً يمكنك أن تفخر به. تعلق ثلاثة أشخاص في أبولو 13 بين الأرض والقمر وتمكنوا من حل المهمة غير التافهة المتمثلة في دفع مرشح مربع إلى حفرة مستديرة. بالإضافة إلى المرشحات المربعة ، كانت المهمة سيئة الحظ في أخرى: انفجار أسطوانة الأكسجين ، نقص المياه ، تلف المحرك. حاول الفريق البقاء على قيد الحياة بمساعدة الجوارب والشرائط الكهربائية وحزم من الدعاوى.



رجل ، كما قالوا في ناسا ، هو نظام نسخ احتياطي جيد للغاية ويصلح الكثير. يمكن اعتبار حل المشكلات على متن سفينة فضاء باستخدام شريط كهربائي وجوارب موثوقًا به تقريبًا: يتم إجراؤه في وقت قصير ، وسيعمل بكفالة وسيعود الأشخاص أحياء ، ولكن لا يمكن السماح بهذا الإنتاج.

مشكلة التسامح مع الخطأ

تعد مشكلة تحمل الأخطاء لإنترنت الأشياء مهمة جدًا نظرًا لتزايد عدد الأجهزة. وفقًا لشركة استشارية تابعة لشركة McKinsey ، في عام 2013 ، كان 10 مليارات جهاز إنترنت الأشياء تعمل في العالم ، وبحلول عام 2020 سيرتفع هذا العدد إلى 30 مليار.



لا يمكننا ببساطة إصلاح هذه العدادات فعليًا - لن يكون هناك وقت كافٍ. لن تساعدنا الأنظمة التي تم تصميمها ليتم خدمتها من قِبل الأشخاص ؛ وبدلاً من ذلك ، سنقوم بإصلاحها.

في عام 2018 ، نشرت الأخبار في وسائل الإعلام والمجلات العلمية أن الصينيين غطوا 100000 جهاز استشعار من قناتين بطول إجمالي يبلغ 1400 كيلومتر. ما مجموعه 130 نوعا من أجهزة الاستشعار: المياه والرياح والكاميرات. من وجهة نظر نفقات التشغيل ، فإن النظام ببساطة كارثي: كم من الناس تحتاج إلى مسح الكاميرات أو إزالة العقبات؟ سيكون الموظفون بالكامل مشغولين فقط بتنظيف النظام وصيانته - إنه ليس مستقلًا تمامًا.

لذلك ، أريد أن أتحدث قليلاً عن التسامح مع الخطأ ، وعن ضمان تشغيل النظام. مع أمثلة بسيطة ، سأتحدث عن الحيل التي ستساعد في وقت قصير للحصول على حل عمل مضمون لتقديم منتج للمستثمرين ، ثم التفكير في كيفية زيادة الموثوقية بشكل متزايد. هذه الحيل تنوعا للغاية وسوف تساعد دائما. الشيء الوحيد الذي لا ينصح باستخدامه في الإنتاج ، لأنه يشبه هذا الفلتر.

تخيل: سيأتي اليوم الذي سيأتي فيه المستثمرون لك لتقرير المشروع ، وتحتاج إلى عرض منتج عامل. من أين تبدأ ، حتى لا المسمار؟

التبسيط

في الصورة أدناه جهازان غير متصلان. على اليسار توجد لعبة تسمى "فارز" : تضاف جولة في جولة ، ومربع في مربع. سيتعلم الطفل البالغ من العمر سنة واحدة استخدام لعبة في 2-3 محاولات ، لأنه من المستحيل ارتكاب خطأ مع "الجهاز" - مثلث لن يتناسب مع مربع.



الفكرة نفسها اقترحتها شركة هاريس التي تنتج محطات إذاعية عسكرية. الصورة على اليمين هي هاريس فالكون 3 ، أعجوبة الهندسة. إلقاء نظرة على واجهات ، كلها مختلفة. في حالة المعركة ، في الظروف التي لا يوجد فيها وقت للتفكير ، لن يتمكن المشغل فعليًا من فعل شيء خاطئ. لن يدخل كابل الطاقة في الموصل من الهوائي ، وبواسطة تمثال نصفي بسيط ، يقوم مشغل الراديو بتوصيل جميع الأنظمة ، ولا يشمل ذلك المخ. هذه طريقة بسيطة وعملية لمنع الأخطاء وتقليل احتمالية حدوثها. ستقول:

- وإذا كان لدينا عرض تقديمي غدا. هل نحن بحاجة إلى لحام جميع واجهات؟ لقد فعلنا كل شيء على هذا النحو: 4 منافذ USB ، 5 منافذ إيثرنت ، سنخطئ بالتأكيد.

لا شك أن التبسيط يعمل أيضًا هنا - أغلق كل شيء. إذا كان لديك 4 منافذ USB ويضمن تشغيل أحدها ، فاتركه وأغلق الباقي. على سبيل المثال ، مع الشريط الكهربائي - أشعر وكأنه رائد فضاء.

التبسيط لا يؤدي فقط إلى إنشاء واجهة تكون فيها الأخطاء مستحيلة ، ولكن أيضًا إزالة كل شيء لا لزوم له. هذا هو المكان الذي تبدأ الموثوقية.

أنشأنا جهاز بسيط - نموذج أولي ، جاهز للعرض. ما التالي؟ بعد ذلك ، فكر في التكرار.

التكرار

تعمل أجهزة Internet of Things على أساس نظرية المعلومات : هناك مصدر إشارة ، وجهاز استقبال ، ومشفّر ، وموجه ، ووسيلة انتشار ، ومصدر خطأ يتداخل ويشوه الموقف الحقيقي. تتمثل إحدى الطرق الجيدة لتقليل التداخل في إضافة التكرار ، حيث يمكننا من خلاله اكتشاف أي موقف حرج وتسوية تأثيره: إخطار المشغل أو تصحيح الخطأ.



مثال على التكرار هو شبكة STRIZH. يتم إرسال معظم الأجهزة على الشبكة دون تأكيد: يصدر الجهاز إشارة ، وتستقبلها المحطة الأساسية.

تخيل الموقف. لدينا منطقة تداخل يكون فيها احتمال تسليم الرسائل إلى المحطة الأساسية 90٪ ، وفي العرض التقديمي ، يجب ألا تظهر خسارة أكثر من 1٪. يبدو أن هناك الكثير من العمل: لتصحيح البروتوكولات ، لتقليل النطاق ، ولكن الحل السريع والبسيط هو التكرار. بجانب المحطة التي تستقبل الإشارة باحتمال تسليم 0.9 ، ضع الثانية ، مع نفس احتمال التسليم ، واحتمال فشل كلتا المحطتين في نفس الوقت هو 0.01. تنطبق نظرية مضاعفة الاحتمالات هنا: احتمال فشل كل محطة على حدة 0.1 ، وفشل كل منهما 1٪ فقط ، شريطة أن تكون المحطات الأساسية مستقلة. في هذا المجال ، سيكون هناك احتمال كبير للاستقبال بين المحطات الأساسية.



هناك طريقة أخرى لإظهار مبدأ التكرار وهي Watchdog Timer . هذا هو الجهاز الفعلي الذي تم دمجه من قبل معظم الشركات المصنعة للمعالجات. إذا لم يستلم Watchdog Timer إشارة من الكمبيوتر بعد فترة زمنية معينة ، فإن الجهاز يقوم بإعادة تشغيل جهاز الكمبيوتر.



استخدام WT لا يحسن الموثوقية ، ولكن توافر . يكتشف الكمبيوتر المشكلة ويتخذ إجراءات التحكم ويعيد تشغيل الكمبيوتر. إنه مولع جدًا بـ NASA ويعرف العديد من الطرق المختلفة لاستخدام Watchdog Timer.

في ما يلي مثال على Timer Watchdog Timer متعدد المراحل: عند حدوث أحداث معينة ، يرسل NMI - مقاطعة الأجهزة التي ستكون مطلوبة للعمل على المعالج. عندما يحدث حدث ، يخبر Watchdog الكمبيوتر: "حاول إعادة تشغيل نفسك ، أو أطفئ الطاقة". إذا لم يعمل الموقت الأول ، فسيعمل الموقت الثاني.



التكرار يعمل بشكل جيد داخل نظام التشغيل. تتمحور محطة قاعدتنا مثل هذا. وهو يتألف من وحدات مختلفة ومستقلة . يمنع استقلالية الوحدات من حدوث أخطاء من وحدة إلى أخرى - يتم إنشاء "تجمع" به أخطاء ، نقوم بحظره. أعلى في التسلسل الهرمي هو مجموعة من المشرفين : البرامج النصية التي تراقب الوضع وفقا لمعايير معينة. على سبيل المثال ، هذه العملية في نظام التشغيل ، فهي ليست Zombie ولا تتدفق من الذاكرة. العنصر الجذر هو جدولة ، على سبيل المثال ، cron.



يخلق الهيكل الهرمي معلمات جيدة لتوافر النظام: إذا سقطت الوحدة ، يرى المشرف ويعيد تمهيده ، فهناك بعض التكرار في الوحدات ، وبعض الوحدات تؤدي وظيفة الآخرين.

الانتقال إلى نظام مرجعي آخر

طريقتي المفضلة والأكثر شعبية بين علماء الرياضيات. إذا كان معروفًا تحت أي ظروف تعمل المعدات ، فمن الضروري في هذه الظروف إجراء تجربة. سأريكم أمثلة.

مثال رقم 1 . لقد أنشأنا جهازًا يعمل بشكل جيد في درجة حرارة الغرفة ، ويخبروننا:

- نوضح المشروع في أقصى الشمال. الآن هناك −40 ، ولكن نجح.

نحن نعمل على الإنترنت ونبحث عن حل:

- نحتاج إلى محركات أقراص ثابتة مصنوعة من الكوارتز وفلاش لا تتوقف عند 40 درجة مئوية.

الوقت ينفد ، والموارد تصبح أصغر ، وهناك ذعر أكبر. نعتقد أن المشروع فشل ، ولكن سيتم حفظنا بالانتقال إلى النظام المرجعي الذي تعمل فيه المحطة الأساسية. نضع الجهاز في المربع الذي يوجد فيه السخان والتتابع الحراري. إنهم شباب مستقرون ويعملون دائمًا تقريبًا. عندما يكون الجو باردًا في الخارج - ترتفع درجة حرارة الصندوق ويعمل الجهاز في الظروف العادية - فقد تحولنا إلى نظام مرجعي نعرف فيه الحل ونستخدمه.



مثال رقم 2 . الانتقال إلى الإطارات المتحركة. تخيل أننا نجمع بيانات الحاوية من القطار. الحل القياسي الأول هو استخدام أجهزة المودم gsm. هذه الطريقة غير مناسبة: بالنسبة للأجسام المتحركة بسرعة ، يجب عليك استخدام أجهزة LTE أو 5G التي تقوم بعمل جيد مع Doppler ، وهو مكلف. إذا كان القطار يتحرك عبر روسيا ، فعند وصوله إلى محطة السكك الحديدية ، ستتصل جميع أجهزة المودم بالمحطة وستتعطل ببساطة بسبب ازدحام الشبكة.

الحل: الانتقال إلى إطار مرجعي ثابت. دعونا نتذكر نسبية الحركة: نضع المحطة الأساسية داخل القطار وهي بلا حراك بالنسبة إلى القطار المتحرك. ستقوم المحطة بجمع المعلومات من جميع أجهزة الاستشعار وإرسالها بشكل أكبر باستخدام مودم بوابة أو قمر صناعي أو مودم LTE.

تزيد هذه الطريقة من الموثوقية ، وتساعد في حل المهام المستحيلة وتنظم شبكة تتسامح مع التأخير - وهي شبكة مقاومة للكسر . لسبب ما ، لا يحبذون النهج في روسيا ، لكنهم يروجون بنشاط لقسم أبحاث ديزني في نفس الشركة. ليس لديهم إنترنت الأشياء ، ولكن إنترنت اللعب - Internet of Toys . تشعر الشركة بالقلق من أن الأطفال الأفارقة لا يشاهدون رسوم ديزني. إن تنفيذ شبكات البيانات ، وتركيب الأبراج ، وسحب الألياف في إفريقيا أمر مكلف ، لكنهم سوف يسرقونها على أي حال ، لذا فقد ذهبوا في الاتجاه الآخر واستخدموا أفكار ريتشارد هامينج :

النقل عن بعد هو نفسه الإرسال في الوقت المناسب ، أي التخزين. إذا لم تتمكن من الإرسال ، احفظ المعلومات ونقلها إلى جهاز الاستقبال.

فعلت ديزني ذلك بالضبط : لقد زودت محطات الحافلات والحافلات بنظام من أرخص أجهزة توجيه Wi-Fi ومجموعة من محركات الأقراص الثابتة. تسحب الحافلة إلى المحطة ، وتحمل بسرعة مجموعة من أفلام ديزني عبر شبكة Wi-Fi لمحركات الأقراص ومحركات الأقراص. إنه يأتي إلى قرية ، إلى أخرى ، ويقوم بتحميل الأفلام في كل منها - الأطفال الأفارقة راضون. هذا ، ما يسمى Mul-Networks - البغال الرخيصة التي تتحرك ببطء ، تعمل بشكل سيء مع Doppler ، ولكنها تقدم المعلومات لجميع النقاط.



توجد تطورات مماثلة في ديزني لإرسال البريد الإلكتروني - سوف تصل إليك رسالة بالباص. تقنية مضحكة للغاية ، لكن أمازون ، على سبيل المثال ، تحبه.

يوجد في أمازون خدمة لنقل البيانات بحجم exabytes - مليون تيرابايت. إذا كان لديك مركز بيانات كبير وكنت تفكر في الانتقال إلى أمازون ، لأن كل شيء موجود بالفعل ، في أمريكا يمكنهم إحضار مثل هذه الشاحنة إليك ونقل بياناتك. إذا كانت التأخيرات ليست مهمة بالنسبة لك ، فهذه طريقة جيدة: معدلات نقل البيانات بترتيب عشرات أو مئات غيغا بايت / ثانية. بالإضافة إلى الشاحنات ، يمكن أن ترسل لك Amazon حقيبة بها محركات أقراص صلبة - كرة الثلج.



لقد أدركنا أن الموثوقية مهمة لأن كل من الناس والتكنولوجيا يفشلون. يجب اعتبار الموثوقية كضمان. بالنسبة للعروض التقديمية التجريبية ، يمكنك تشغيل الوكالة الدولية للطاقة ، وإضافة التكرار وتبسيطها بحيث لا يمكنك ارتكاب أي خطأ. فكر في كيفية الدخول في الشروط التي بموجبها يعمل النظام. والآن ، دعنا ننتقل إلى الطريقة الأخيرة ، والتي تختلف عن البقية ، وغالبا ما تتجاهل التقنيين ذلك.

الجمال

سوف يغفر لك الكثير إذا كان النموذج الأولي الخاص بك تبدو جميلة. إذا حدث خطأ ما أثناء العرض التقديمي وفشل كل شيء ، فستسمع: "نعم ، لقد حدث كل شيء ، لكن لديك منتجًا رائعًا. أعتقد أنك بحاجة إلى بذل محاولة أخرى للتحسين ". يعمل مبدأ Tesla: تواجه الشركة مشاكل في الشحن ، والطيار الآلي ، والحوادث ، لكن الجميع يحبهم ، لأن السيارات لها تصميم رائع. لهذا ، كلهم ​​يغفرون لهم.

الاستنتاجات

مستقبل إنترنت الأشياء هو انعدام الأمن : إنترنت الأشياء موجهة إلى الأسواق الجماعية ، والسوق الشامل هو العامل الحاسم في السعر. وبالتالي فإن إنترنت الأشياء يتكون من العديد من الأجهزة الرخيصة وغير الموثوقة . مع زيادة عدد الأجهزة ، سيزداد عدد حالات الفشل. ليس لدينا أيدي كافية لتصحيح جميع الأخطاء. لذلك ، يجب أن تتعامل الأجهزة بشكل مستقل مع عواقب الفشل . هذه أنظمة مستقلة يجب أن تتعلم إصلاح نفسها.

أود أن أقترح عليك معالجة موضوع الموثوقية وتعلم كيفية إظهار البرامج التجريبية بطريقة رائعة باستخدام ثلاث طرق: تبسيط كل ما تستطيع وإضافة التكرار وخلق الظروف التي يضمن عمل الطيار في ظلها. لا تنس أننا جميعًا من البشر ولا نسترشد بالمنطق ، بل بالمشاعر ، لذا قم بإنشاء مشاريع جميلة .

لا توجد كتب أو مجموعة من المقالات حول الموثوقية. للتعمق في الموضوع ، ابدأ بمقال عن قابلية التشغيل والموثوقية والسلامة ، ثم قم بدراسة تجربة مختبر الدفع النفاث التابع لناسا . خلقوا فوياجر وفضول وهم يعرفون كل شيء عن الموثوقية . الحصول على مستوحاة من عظيم.

يتبقى أكثر من شهر بقليل قبل انعقاد مؤتمر مطوري إنترنت الأشياء في InoThings ++ ، والذي سيعقد في 4 أبريل. سنقوم بإعداد برنامج يغطي جميع جوانب عالم إنترنت من الأشياء: تطوير الأجهزة والبرامج للأجهزة ، والأمن للمستخدمين ، وطرق نقل المعلومات بين الأجهزة و "الخادم" واختبارها وتشغيلها وتغيير العمليات التجارية تحت تأثير تقنيات إنترنت الأشياء. لكن ربما لا يكون تقريرك كافيًا لتغطية جميع المواضيع - أرسل طلبك قبل 1 مارس.