التحول إلى جمع البيانات اللاسلكي باستخدام الأجهزة الذكية يغير طريقة عمل قطاعات مثل المرافق، والزراعة، والتصنيع الذكي، والمراقبة البيئية. تستطيع أجهزة الاستشعار والعدادات وأجهزة التحكم استخدام الشبكات الخلوية لجمع وإرسال بيانات العمليات، مما يلغي استخدام الأنظمة السلكية وجمع البيانات يدويا.
يقدم هذا الابتكار في جمع البيانات فوائد وتحديات، خاصة مع عبور البيانات عبر شبكات الاتصالات.
التحديان اللذان يجب أن نواجههما يشملان:
• الحاجة إلى الحفاظ على خصوصية البيانات أثناء النقل
• الحاجة للحفاظ على سلامة البيانات أثناء النقل
يوفر هذا البحث نظرة عامة على الأنظمة التي تعتمد على SSL/TLS للحفاظ على خصوصية وسلامة البيانات في أنظمة جمع اللاسلكي. على وجه الخصوص، ندرس كيف يتم دمج حماية TLS في جهاز صناعي،تيسبرو TD-DTU-PLUS، في مهمة نشر فعلية.
1. متطلبات الأمان في جمع البيانات اللاسلكية للأجهزة الذكية
في أنظمة إنترنت الأشياء الصناعية والقياس عن بعد، تؤثر البيانات التي يتم نقلها لاسلكيا على الفوترة والتحكم وعمليات النظام. هناك عدد من المخاطر الحرجة التي ستدخل مع الاتصالات اللاسلكية.
1.1 خطر التنصت
اعتراض الاتصال اللاسلكي ممكن في عدة سيناريوهات. بعض البيانات التي قد يتم اعتراضها تشمل:
•قيم بيانات جهاز القياس والمستشعر
• قراءات المستشعرات والمقاييس البيئية
•أوامر التحكم عن بعد
1.2 خطر تغيير البيانات
قد يتم تعديل البيانات المرسلة عبر شبكات الاتصالات لأغراض قد تكون غير قانونية أو متضررة، مما يؤدي إلى:
• التحقق من صحة الفوترة الخاطئة
• اتخاذ قرارات خاطئة في التحكم التشغيلي
• خلق عمليات خاطئة داخل أنظمة التحكم.
1.3 مخاطر التحقق من صحة الجهاز
في غياب المصادقة، يمكن للمهاجم إدخال جهاز غير قانوني إلى الشبكة وقد يقدم الجهاز بيانات خاطئة.
لضمان جمع البيانات اللاسلكية للأجهزة الذكية، يجب على الأنظمة فرض سرية وسلامة البيانات معا.
2. تشفير SSL/TLS: إنشاء قناة اتصال آمنة
يخدم SSL وTLS نفس الغرض الأساسي في تصميم الاتصالات البيانية الآمنة عبر شبكات غير موثوقة. اليوم، TLS هو المعيار المستخدم، بينما SSL هو المصطلح المستخدم للنسخة القديمة.
2.1 المصافحة الآمنة والمصادقة
يوفر مصافحة TLS ما يلي:
• يتم التحقق من معلومات تعريف الخادم بواسطة الجهاز عبر شهادة رقمية.
•يتفق الجهاز والخادم على مفتاح تشفير جلسة آمنة.
•يتم تأمين الاتصالات عبر التشفير.
تمنع هذه العملية هجوم الرجل في الوسط، بالإضافة إلى ضمان أصالة نقاط النهاية.
2.2 تشفير البيانات أثناء النقل
بمجرد إنشاء القناة الآمنة:
• جميع بيانات التليمترية تمر عبر القناة التي يتم تشفيرها باستخدام التشفير المتماثل.
• الحزم التي تم اعتراضها تظهر كنص مشفر غير قابل للقراءة.
• الاتصال في كلا الاتجاهين الصاعد والهابط آمن.
2.3 توافق البروتوكولات
يمكن تأمين بروتوكولات اتصالات إنترنت الأشياء الشائعة الاستخدام باستخدام TLS، بما في ذلك:
• MQTT عبر TLS
•TCP عبر TLS
•HTTP/HTTPS
وهذا يعني أن أطر إنترنت الأشياء الحالية يمكنها البدء في استخدام التشفير دون الحاجة إلى إعادة تصميم منطق التطبيق.
3. الحفاظ على سلامة البيانات في أنظمة جمع البيانات اللاسلكية
عند تصميم أنظمة جمع بيانات لاسلكية آمنة، يكون القلق الأساسي هو السرية. ومع ذلك، من المهم بنفس القدر التأكد من دقة البيانات وعدم العبث بها. أفضل أنظمة جمع البيانات اللاسلكية تدمج تشفير طبقة النقل مع ضوابط سلامة طبقة التطبيق.
3.1 التحكم في التسلسل وحماية إعادة التشغيل
عادة ما يحتوي تحديد كل رسالة على العناصر التالية:
• رقم التسلسل
• الطابع الزمني
وهذا يمكن من اكتشاف:
• فقدان الحزم
• هجمات إعادة العرض
• الإرسال المكرر
3.2 التجزئة والتحقق من قيمة التحقق
يتم التحقق من سلامة حمولة الرسالة باستخدام دالة تجزئة تشفيرية (أي ملخص قائم على SHA) وجمع تحقق مدمج في إطار الرسالة. أي تعديل على الرسالة أثناء الإرسال سيؤدي إلى فشل في التحقق من الرسالة.
3.3 آلية التخزين والإرسال
في حالات الاتصال غير المستقرة، مثل العديد من التطبيقات الصناعية، تحدث ما يلي:
• يتم تخزين البيانات مؤقتا على جهاز الحافة.
• يتم إعادة بدء الإرسال على جهاز الحافة.
استعادة الشبكة ستسمح بنقل البيانات والحفاظ على سلامة البيانات وتدفقها المستمر للفوترة والتحليلات.
4. التنفيذ الصناعي: تيسبرو TD-DTU-PLUS
التيسبرو TD-DTU-PLUS هي وحدة صناعية لنقل بيانات الجيل الرابع تهدف إلى جمع البيانات اللاسلكية من الأجهزة الذكية في المناطق النائية أو التي لم تطور بشكل جيد.
تدمج عدة ميزات اتصالات وأمان لضمان إرسال بيانات موثوقة للقياس عن بعد.
4.1 ميزات الأمان والاتصالات
• دعم تشفير TLS/SSL
ينشئ قنوات آمنة في التواصل بين أجهزة الميدان والسحابة.
• الاتصال متعدد البروتوكولات (MQTT، TCP، UDP)
يضمن التوافق مع أنظمة إنترنت الأشياء وSCADA الرئيسية.
•الاتصال السحابي المشفر
يضمن الأمان لبيانات القياس والتحكم أثناء النقل.
4.2 آليات موثوقية البيانات
• تخزين البيانات المحلية
يتم تخزين البيانات في ظل فشل الاتصال وترسل عند إعادة الاتصال.
• جمع البيانات المستمر
يلغي الفجوات في البيانات الناتجة عن ضعف التواصل.
4.3 حماية الأجهزة الصناعية
• حماية القطبية العكسية
• حماية من الاندفاعات
• حماية من الجهد الزائد
• حماية من التيار الزائد
هذه الميزات تحسن متانة المعدات للتطبيقات المفتوحة والصناعية.
• درجة حرارة التشغيل: -20 إلى 60 درجة مئوية
5. ملخص ميزات الأمان والنزاهة
| الميزة | الدور في أمن النظام |
| تشفير TLS/SSL | يتم الحفاظ على سرية البيانات |
| MQTT/TCP عبر TLS | أمان أطر إنترنت الأشياء |
| تخزين البيانات المحلية | البيانات آمنة حتى مع انقطاعات الاتصالات |
| التحكم في التسلسل والطابع الزمني | اكتشاف إعادة التشغيل وفقدان الحزم |
| التحقق من صحة التجزئة/جمع التحقق | أمان سلامة البيانات |
| حماية الطاقة الصناعية | الأجهزة آمنة والبيانات مستمرة |
6. سيناريو التطبيق: القياس المالي بالمرافق عن بعد
بالنسبة لقياس المرافق الريفية، سواء للمياه أو الكهرباء، هناك عدة قيود بنية تحتية، منها:
• غالبا ما تكون المناطق الريفية محدودة التوفر
• شبكة محمولة ضعيفة أو معدومة
• قراءة العداد اليدوية المكلفة
سيسمح نشر وحدات DTU 4G مع SSL للأدوات بالحصول على:
•نقل بيانات العدادات الآمن في الوقت الحقيقي
• جمع البيانات المستمر من خلال التخزين المحلي
• المزامنة التلقائية عند توفر الشبكة مرة أخرى
• منع الوصول غير المصرح به لبيانات الفوترة
وبسبب التخزين المحلي، لا تفقد البيانات وسيتم إرسالها بعد توفر الشبكة مرة أخرى.
الخاتمة: بناء أنظمة جمع بيانات لاسلكية موثوقة
لا يوجد حل واحد لإزالة جميع التهديدات الأمنية المتعلقة بإنترنت الأشياء. مزيج من عدة طرق، مثل:
•TLS/SSL
•مصادقة الأجهزة
•سلامة البيانات
• التخزين المحلي مع نظام أمان
... يوفر إطارا قويا للإنترنت الصناعي الآمن للأشياء.
يعد جهاز Tespro TD-DTU-PLUS مثالا ممتازا على تضمين مثل هذه الطرق بحيث يمكن جمع البيانات ونقلها بأمان وموثوق في بيئة لاسلكية وإنترنت الأشياء.
مع توسع إنترنت الأشياء، سيكون من الضروري إجراء تقييم دقيق بشأن أمان البنية وسلامة جمع البيانات للحفاظ على الأنظمة والثقة بها على المدى الطويل.
الأسئلة الشائعة: جمع البيانات اللاسلكية للأجهزة الذكية
س1. ماذا يعني SSL و TLS لأنظمة جمع البيانات اللاسلكية؟
SSL وTLS هما معياران لتأمين البيانات أثناء الإرسال ومنع الاعتراض.
س2. لماذا من الضروري الحفاظ على سلامة البيانات في أنظمة إنترنت الأشياء؟
سلامة البيانات أمر بالغ الأهمية لأنه لا ينبغي فقدان البيانات أو تعديلها أو تكرارها أثناء النقل.
س3. هل السرية هي القلق الوحيد عند الحديث عن أمن البيانات؟
بالتأكيد لا. بالإضافة إلى السرية، يجب أن تكون سلامة البيانات والمصادقة موجودة.
س4. ما هو تأثير ضعف الاتصال اللاسلكي؟
يتم حفظ البيانات في الجهاز وإرسالها عند استعادة الاتصال.
س5. ماذا يفعل DTU بموثوقية أنظمة البيانات؟
توفر وحدة DTU قدرة تخزين مؤقت، وتدير نقل البيانات، وتضمن تسليم البيانات.
