ほぼ信頼できるソリューション

IoT市場の主な利点はコストです。 したがって、安価で信頼性の低いコンポーネントが優先されます。 信頼できないデバイスは破損し、ミスを犯し、フリーズし、メンテナンスが必要になります。 会議での信頼性の悪さについて話すのは慣習ではありませんが、これはまさに、InoThings ++に関するスタニスラフ・エリザロフ （ elstas ）のレポートが何に専念していたかでした。







カットの下で、ソフトウェアを使用して、機器、通信チャネル、および人員の不確実性を補う方法を説明します。 フォールトトレランスの問題とその解決策。 人的要因; トラックによる宇宙船とデータ伝送を修復する普遍的な手段としての電気テープと靴下。





スピーカーについて ： スタニスラフエリザロフは、メーター、センサー、LTE基地局を製造し、他の通信システムがまったく機能しない測定値を収集するSTRIZH社のネットワークインフラストラクチャ部門に従事しています。

不安

「何かが機能しない場合、それはすでに古くなっています。」

これは、カナダの哲学者マーシャルマクルーハンからの引用であり、最新技術を正確に説明しています。 すべてが拒否されます。コンピューターがフリーズし、スマートフォンがスローダウンし、エレベーターが階間で停止し、宇宙探査機が迷い、人々がミスを犯します。

最初の間違い

信頼性、特にその部分のトピックは、セキュリティと同じくらいのフォールトトレランスです。 用語IoTの文字Sはセキュリティを担当し、文字Rは信頼性 -信頼性を担当します。



信頼性とエラーについて話したら、 Johann Gutenbergを思い出しましょう。 公式には、彼は最初のプリンターであり、イルフとペトロフによれば、彼は聖書で多くの間違いを犯したため、彼は最初のプリンターです。







グーテンベルクの技術は進歩し、書籍市場は成長し、ボリュームは成長しました。 最初の本が印刷されてから50年後、 Gabriel PierryはErrataを思いつきました。これは本の最後のタイプミスのリストです。 大きなバッチを再入力するのは不便で、経済的に採算が取れないため、これは良いトリックでした。 読者がタイプミスに気付いた場合、それは単にエラーのリストを開き、重要な修正を見ます。 タイプミスのリーダーは、トーマス・アクィナスと彼の神学の合計-公式の誤植の180ページの誤りでした。



現代のエラッタは鉄の生産者によって生産されています。 下の図では、最も人気のあるCC1101チップの公式の誤りであり 、これはまだ有効です。 エラーのリストでは、チップが何かを受け入れないことがあります。何か間違ったことを送信することがあり、PLLが常に機能しないことがあります。 これは、何十年も使用されてきた大容量プロセッサに期待するものではありません。







別の例は、一連の命令に基づいて構築されたMSP430マイクロプロセッサです。 マイクロプロセッサは、KerniganとRitchieがUnixを開発したPDP-11とほぼ同じです。 これはErrat Thomas Aquinasではありませんが、メーカーは27ページのエラーを提供していますが 、その多くは彼自身でも解決方法を知りません。

これは、モノのインターネット上では明らかではないものです。 安価なチップのデータシートを読んで、エラーのリストを含む最後のページを開くまで、すべてが正常であり、すべてが機能することを確認します。

人的要因

鉄の場合、エラーは多かれ少なかれ明確であり、エラーが記述され再現可能ですが、IoTシステムのエラーの最大の原因は人です。



2018年1月13日、ハワイのすべての住民は携帯電話でミサイルの脅威と爆弾シェルターに隠れる必要があるという警告を受け取りました 。







誰が正確に間違っていたかは明らかではありません：オペレーターまたはインターフェースを設計した人。 しかし、写真を見ると、答えはそれ自身を示唆しています。 ミサイルの脅威を警告するために、戦闘ではなくテストをトリガーするために何を押すべきでしょうか？ 答えがわからない場合、あなたは間違っています。









オペレーターが間違ったボタンを押し、大量メール送信が開始されました。 システムには、ディスパッチを防止または確認できるパラメーターがありませんでした。「ミサイルの脅威について警告しますか？」 センターの従業員が何が起こったかを理解し、攻撃が偽であったことを示すメッセージを送信するのに30分かかりました。

人間は信頼できるシステムです

これらのエラーが表示され、何かがおかしいと思わないのはなぜですか？ 人間自身がすべてのエラーを修正するからです。

バグの修正に慣れています。

コンピューターがあまりうまく機能していないと感じたら、再起動します。 モバイル通信が消えたことがわかったら、それがキャッチされる場所を探しています。 マシンが機能しない場合は、修理します。



下の写真は、あなたが誇りに思う人間に精通していることを示しています。 アポロ13号で地球と月の間にぶら下がった3人の人々は、正方形のフィルターを丸い穴に押し込むという些細な作業を解決することができました。 正方形フィルターに加えて、別のミッションでは不運でした。酸素ボンベの爆発、水の不足、エンジンの損傷です。 チームは、靴下、電気テープ、スーツのパッケージングの助けを借りて、生き残ることを試みました。







NASAで彼らが言ったように、人間は非常に優れたバックアップシステムであり、多くを修正します。 電気テープとソックスを使用して宇宙船の問題を解決することは、ほぼ信頼できると言えます。短時間で完了し、保証付きで機能し、人々は生き返りますが、これを生産に入れることはできません。

フォールトトレランスの問題

モノのインターネットのフォールトトレランスの問題は、デバイスの数が増えているため非常に重要です。 McKinseyのコンサルティング会社によると、2013年には100億台のIoTデバイスが世界中で稼働しており、2020年までにこの数は300億台に増加します。







これらのカウンターをすべて物理的に修正することはできません。十分な時間がないでしょう。 人々がサービスを提供するように設計されたシステムは私たちの助けにはならず、代わりに修正します。



2018年に、メディアと科学雑誌で、中国が2チャンネルの合計1400キロメートルの長さで100,000個のセンサーをカバーしたというニュースがフラッシュされました。 合計130種類のセンサー：水、風、カメラ。 運営費の観点から見ると、このシステムは悲惨なものです。カメラを拭いたり、障害を取り除いたりするのに何人必要ですか？ スタッフ全体は、システムのクリーニングとメンテナンスのみで忙しくなります-非常に自律的ではありません。



したがって、システムの動作を確保することについて、 フォールトトレランスについて少しお話したいと思います。 簡単な例を使って、投資家に製品を提供するための保証された実用的なソリューションを短時間で取得し、信頼性を段階的に高める方法について考えます。 これらのトリックは非常に用途が広く、常に役立ちます。 フィルターに似ているため、本番環境での使用にはあまりお勧めしません。



想像してみてください。投資家がプロジェクトレポートのためにあなたのところに来て、実際の製品を見せなければならない日が来るでしょう。 邪魔しないように、どこから始めますか？

単純化

次の図には、2つの未接続デバイスがあります。 左側には「ソーター」と呼ばれるおもちゃがあります。丸には丸を、四角には四角を挿入します。 「デバイス」を間違えることは不可能であるため、1歳の子供は2〜3回試行しておもちゃを使用することを学びます。三角形は正方形に収まりません。







同じアイデアは、軍事ラジオ局を製造するHarris社によって提案されました。 右の写真は、工学の驚異であるハリスファルコン3です。 インターフェイスを見てください、それらはすべて異なっています。 戦闘状態では、考える時間がない状況では、オペレーターは物理的に何か間違ったことをすることができません。 電源ケーブルはアンテナからコネクタに入りません。簡単な徹底的な検索により、無線オペレータは脳を含めてすべてのシステムを接続します。 これは、間違いを防ぎ、その可能性を減らすためのシンプルで有効な方法です。 あなたは言うでしょう：



-そして明日プレゼンテーションがあれば。 すべてのインターフェースをはんだ付けする必要がありますか？ そこですべて同じことをしました：4つのUSBポート、5つのイーサネットポート、間違いを犯します。



単純化はここでも機能します-すべてを閉じます。 USBポートが4つあり、そのうちの1つが動作することが保証されている場合は、そのままにして残りを閉じます。 たとえば、電気テープで-宇宙飛行士のように感じます。

単純化とは、エラーが不可能なインターフェイスを作成するだけでなく、不要なものをすべて削除することでもあります。 これが信頼性の始まりです。

簡単なデバイス-プロトタイプを作成し、すぐに表示できるようにしました。 次は？ 次に、冗長性について考えます。

冗長性

モノのインターネットデバイスは情報理論に基づいて動作します。信号源、受信機、エンコーダー、変調器、伝搬媒体、および実際の状況を妨害および歪ませるエラー源があります。 干渉を減らす良い方法は、 冗長性を追加することです。これにより、重大な状況を検出し、その影響を平準化できます。オペレーターに通知するか、エラーを修正します。







冗長性の例は、STRIZHネットワークです。 ネットワーク上のほとんどのデバイスは確認なしで送信されます。デバイスは信号を発し、ベースステーションはそれを受信します。



状況を想像してください。 基地局へのメッセージ配信の確率が90％である干渉ゾーンがあり、プレゼンテーションでは1％以下の損失を示す必要があります。 プロトコルを修正し、範囲を縮小するという多くの作業があるように見えますが、迅速で簡単な解決策は冗長性です。 0.9の配信確率で信号を受信するステーションの隣に、同じ配信確率で2番目のステーションを配置します。同時に両方のステーションで障害が発生する確率は0.01です。 ここでは確率乗算の定理が有効です。各ステーションの障害の確率は個別に0.1で、両方の障害の確率は基地局が独立していれば1％だけです。 このエリアでは、基地局間で受信される確率が最も高くなります。







冗長性の原理を示す別の方法は、 ウォッチドッグタイマーです。 これは、ほとんどのプロセッサメーカーによって統合されている物理デバイスです。 ウォッチドッグタイマーが一定時間後にコンピューターから信号を受信しなかった場合、デバイスはコンピューターを再起動します。







WTを使用すると、信頼性が向上するのではなく、 可用性が向上します 。 コンピューターは問題を検出し、制御アクションを実行し、コンピューターを再起動します。 NASAが非常に好きで、Watchdog Timer を使用するさまざまな方法を知っています 。



以下は、マルチステージウォッチドッグタイマーの例です。特定のイベントが発生すると、 NMI（ハードウェア割り込み ）を送信します。これは、プロセッサでの作業に必須です。 イベントが発生すると、Watchdogはコンピューターに「自分で再起動するか、電源をオフにしてください」と伝えます。 最初のタイマーが機能しない場合、2番目のタイマーが機能します。







冗長性は、オペレーティングシステム内で適切に機能します。 基地局はこのように構成されています。 さまざまな独立したモジュールで構成されています 。 モジュールの自律性により、あるモジュールから別のモジュールへのエラーが防止されます。エラーのある「プール」が作成され、ブロックされます。 階層の上位には、 スーパーバイザーのセットがあります。特定のパラメーターに従って状況をモニターするスクリプトです。 たとえば、プロセスがオペレーティングシステム内にある場合、それはゾンビではなく、メモリからは流れません。 ルート要素は、cronなどのスケジューラーです。







階層構造は、システムの可用性に適したパラメーターを作成します。モジュールがクラッシュした場合、スーパーバイザーが確認して再起動した場合、モジュールに冗長性があり、一部のモジュールは他のモジュールの機能を実行します。

別の参照システムへの移行

数学者の間で私のお気に入りで最も人気のある方法。 機器がどのような条件で動作するかがわかっている場合、これらの条件でパイロットを実施する必要があります。 例でお見せします。



例1 室温で十分に機能するデバイスを作成しました。



-極北でプロジェクトのデモを行います。 現在、-40がありますが、動作させます。



私たちはインターネット上で実行しており、解決策を探しています：



--40で故障しない耐熱性のあるクオーツおよびフラッシュドライブが必要です。



時間がなくなり、リソースが小さくなり、さらにパニックが発生しています。 プロジェクトは失敗だと思いますが、ベースステーションが動作する参照システムへの移行によって救われるでしょう。 ヒーターとサーマルリレーが配置されているボックスにデバイスを配置します。 彼らは非常に安定した男であり、ほとんど常に動作します。 外が寒いとき-ボックスが熱くなり、デバイスが通常の条件下で動作する-解決策を知って使用する参照システムに切り替えました。







例2 移動フレームへの移行。 列車からコンテナデータを収集するとします。 最初の標準的な解決策は、gsmモデムを使用することです。 この方法は適していません。高速で移動するオブジェクトには、高価なドップラーにうまく対応するLTEまたは5Gデバイスを使用する必要があります。 列車がロシアを横切って移動する場合、鉄道駅に到着すると、すべてのモデムが駅に接続し、ネットワークの混雑により単純に落下します。



解決策：参照の固定フレームへの移行。 移動の相対性を思い出してください。私たちは基地局を列車内に配置し、移動中の列車に対して静止しています。 ステーションはすべてのセンサーから情報を収集し、ゲートウェイ、衛星、またはLTEモデムを使用してさらに送信します。



このアプローチは、信頼性を高め、不可能なタスクを解決し、 遅延耐性のあるネットワーク（ 破損に 強いネットワーク）を編成するのに役立ちます。 何らかの理由で、彼らはロシアでのアプローチが好きではありませんが、同じ企業のディズニーリサーチ部門を積極的に推進しています。 モノのインターネットではなく、おもちゃのインターネット、つまりおもちゃのインターネットがあります。 同社は、アフリカの子供たちがディズニーの漫画を見ないことを心配しています。 アフリカでデータネットワークを実行し、塔を設置し、繊維を引っ張るのは高価であり、とにかくそれを盗むので、彼らは反対に行き、 Richard Hammingのアイデアを使用しました。

リモート送信は、時間内の送信、つまりストレージと同じです。 送信できない場合は、情報を保存して受信者に転送します。

ディズニーはまさにそれを実現しました 。バスステーションとバスに、最も安価なWi-Fiルーターとハードドライブのセットを装備しました。 バスは駅に停車し、Wi-Fiを介してディズニー映画のセットをドライブにすばやくアップロードし、ドライブをオンにします。 彼はある村に行き、別の村に行き、それぞれに映画をアップロードします-アフリカの子供たちは満足しています。 これは、いわゆるMul-Networksです。安価なラバはゆっくり動き、ドップラーではうまく機能しませんが、すべてのポイントに情報を配信します。







メールを送信するためのディズニーの同様の開発が存在します-バスで手紙が届きます。 非常に面白いテクノロジーですが、たとえばAmazonはそれを気に入っています。



Amazonには、 エクサバイトのデータ （100万テラバイト）を転送するサービスがあります 。 大規模なデータセンターがあり、すべてがすでにそこにあるためにAmazonに移行することを考えている場合、アメリカではそのようなトラックをあなたに合わせてデータを転送できます。 遅延が重要でない場合、これは良い方法です。数十または数百Gb / sのオーダーのデータ転送速度です。 トラックに加えて、Amazonはハードドライブ付きのバッグ（雪だるま）を送ることができます。







人と技術の両方が失敗するため、信頼性が重要であることに気付きました。 信頼性はセキュリティと見なす必要があります。 パイロットプレゼンテーションの場合、Watchdogをオンにして、冗長性を追加し、間違いを犯さないように簡素化します。 システムが動作することが保証されている条件に入る方法を考えてください。 そして、最後の方法に移りましょう。これは他の方法とは異なり、技術者はしばしばそれを無視します。

美人

あなたのプロトタイプが美しく見えるなら、彼らはあなたをたくさん許します。 プレゼンテーション中に何かがうまくいかず、すべてが失敗した場合、「はい、すべてが壊れていますが、あなたはそのようなクールな製品を持っています。 改善のために別の試みをする必要があると思います。」 原則はテスラに有効です。会社には出荷、自動操縦、事故の問題がありますが、車はクールなデザインであるため、誰もがそれを愛しています。 このため、彼らは皆彼らを許します。

結論

モノのインターネットの未来は不安定です。IoTはマスマーケットを対象としており、マスマーケットにとって決定的な要因は価格です。 したがって、モノのインターネットは、 安価で信頼性の低い多くのデバイスで構成されます 。 デバイスの数が増えると、障害の数が増えます。 すべての間違いを修正するだけの手がありません。 したがって、唯一の方法- デバイスは、障害の結果を個別に処理する必要があります。 これらは自律システムであり、自己修復を学習する必要があります。



信頼性のトピックに取り組み、3つの方法を使用してパイロットをクールな方法で表示する方法を学習することをお勧めします。可能な限りすべてを単純化し 、 冗長性を追加し、パイロットが動作することが保証される条件を作成します 。 私たちはすべて人間であり、論理ではなく感情によって導かれることを忘れないでください。 美しいプロジェクトを作成してください。



信頼性に関する書籍や記事はありません。 トピックをさらに深く掘り下げるには、 操作性、信頼性、安全性に関する記事から始めて、NASA Jet Propulsion Laboratoryの経験を研究してください 。 彼らはVoyagerとCuriosityを作成し、信頼性に関するすべてを知っています 。 偉大な人からインスピレーションを得てください。

次回のInoThings ++ Internet of Things Developers Conferenceの前に、1か月以上が残り、4月4日に開催されます。 ハードウェアおよびソフトウェアデバイスの開発、ユーザーのセキュリティ、デバイスと「サーバー」間での情報転送方法、IoTテクノロジーの影響下でのビジネスプロセスのテスト、運用、変更など、モノのインターネットの世界のあらゆる側面をカバーするプログラムを準備します。 , , , — 1 .