Composição de serviços e mecanismos de segurança para arquiteturas orientadas a microsserviços na indústria 4.0

Abstract

Novas aplicações e soluções na Indústria 4.0 se concentram na combinação de informática industrial e tecnologias de automação, incluindo a Internet Industrial das Coisas, Sistemas de Controle em Rede, Arquiteturas Orientadas a Serviços e Computação em Nuvem. O grande desafio dessas aplicações é promover a integração entre essas tecnologias, equipamentos e sis-temas alocados em diferentes níveis hierárquicos dos sistemas industriais, tornando a automa-ção colaborativa através do uso e compartilhamento de serviços para obtenção de uma arquite-tura flexível, distribuída e totalmente integrada através de redes de comunicação no cenário industrial. Diante desse contexto, este trabalho enfoca no desenvolvimento de uma planta pi-loto industrial de controle de processos utilizando uma arquitetura orientada a microsserviços (MOA) baseada no framework Moleculer. Essa planta piloto, com controle de nível, pressão e vazão da tubulação e pressão de reservatório, é usada como base para o desenvolvimento e testes de microsserviços e mecanismos de segurança para o controle das malhas de processo. Os microsserviços desenvolvidos são: Aquisição de Dados (DAQ), Controle PIDPlus, Rastre-ador para métricas, Base de dados e monitoramento de processo, e Segurança de acesso (Guarda). Diferentes mecanismos de segurança para a arquitetura são implementados, como acesso do desenvolvedor aos microsserviços via chave criptografada, requisições HTTPS, au-tenticação de usuários com token, opções de conexão com o transportador de mensagens NATS, serviço de guarda de controle de acesso entre microsserviços com JSON Web Token. Resultados experimentais analisam o desempenho de dois tipos de composição de microsser-viços numa aplicação de controle de processo em malha fechada, sendo que a Coreografia (execução sequencial predeterminada dos microsserviços) é executada na metade do tempo da Orquestração (execução dos microsserviços gerenciada por um elemento central) e com menor variabilidade. Além disso, compara-se o desempenho da comunicação entre os microsserviços usando três tipos de transportadores de mensagem: TCP, NATS e MQTT. Os resultados de-monstram que o uso de microsserviços, em ambas as composições por Coreografia e Orques-tração, é compatível e confiável, cumprindo requisitos de tempo de resposta e de segurança para aplicações de automação e controle de processos, além de fornecer novos requisitos, co-mo modularidade, escalabilidade e interoperabilidade, necessários para essas aplicações no contexto da Indústria 4.0.

New applications and solutions in Industry 4.0 focus on the combination of industrial computing and automation technologies, including the Industrial Internet of Things, Network Control Systems, Service-Oriented Architectures and Cloud Computing. The great challenge of these applications is to promote the integration between these technologies, equipment and systems allocated at different hierarchical levels of industrial systems, making the collaboration collaborative through the use and sharing of services to obtain a flexible, distributed and fully integrated architecture through of communication networks in the industrial scenario. In this context, this work focuses on the development of an industrial pilot plant for process control using a microservice oriented architecture (MOA) based on the Moleculer framework. This pilot plant, with level control, pipeline pressure and flow and reservoir pressure, is used as a basis for the development and testing of microservices and safety mechanisms for the control of process loops. The microservices developed are: Data Acquisition (DAQ), PIDPlus Control, Tracker for metrics, Database and process monitoring, and Access Security (Guard). Different security mechanisms for the architecture are implemented, such as developer access to microservices via encrypted key, HTTPS requests, user authentication with token, connection options with the NATS message carrier, guard service for access control between microservices with JSON Web Token. Experimental results analyze the performance of two types of microservice composition in a closed-loop process control application, with choreography (predetermined sequential execution of microservices) being performed in half the time of the Orchestration (execution of managed microservices by a central element) and with less variability. In addition, the communication performance between microservices is compared using three types of message transporters: TCP, NATS and MQTT. The results demonstrate that the use of microservices, in both compositions by Choreography and Orchestration, is compatible and reliable, fulfilling response time and security requirements for automation and process control applications, in addition to providing new requirements , such as modularity, scalability and interoperability, necessary for these applications in the context of Industry 4.0.