Studio e valutazione di protocolli industriali per l’IoT in scenari Edge/Cloud = Study and evaluation of industrial protocols for IoT in Edge/Cloud scenarios

L’avvento del paradigma Industria 4.0 ha nettamente accresciuto l’importanza dell’interconnettività, della comunicazione da macchina a macchina e della capacità di trasmettere dati in tempo reale da e verso il Cloud. In questi contesti è spesso necessario avere latenze di trasmissione molto basse, ad esempio nei sistemi che prevedono la notifica di allarmi, oppure può essere indispensabile la garanzia di una connettività resiliente. Vista l’importanza che, in ambito Industria 4.0, riveste l’interoperabilità, un protocollo che ultimamente sta conoscendo una sempre maggiore diffusione nei sistemi reali è OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture), a dispetto del fatto che il suo primo rilascio avvenne nel 2006. Nonostante prima della versione attuale ci furono altre versioni di OPC, che introdussero novità come la gestione di dati, eventi ed allarmi, è solo con OPC UA che è stata realizzata un’adeguata indipendenza dalla piattaforma, facilitando così lo scambio di dati anche negli scenari industriali eterogenei. Un secondo protocollo molto usato nel campo dell’IoT, che sta trovando impiego anche nell’IoT industriale (IIoT), è MQTT (precedentemente conosciuto come Message Queue Telemetry Transport), un protocollo semplice, che necessità di poca banda per la comunicazione ed inoltre prevede opportuni meccanismi per assicurare la corretta ricezione dei dati. MQTT si basa sul modello Publish/Subscribe, in cui i client si connettono ad entità chiamate broker che si occupano di mediare la comunicazione fra di essi, ricevendo e inoltrando i dati in modo opportuno. Grazie a questo protocollo è possibile scambiare facilmente i dati tra macchine (anche dotate di limitate risorse computazionali) che usano sistemi operativi diversi. Di recente, OPC UA ha rilasciato una nuova specifica che permette di usare il protocollo anche in modalità Publish/Subscribe. Questo ha permesso di combinare la ricchezza delle strutture dati di OPC UA con il meccanismo di comunicazione di MQTT, in modo da sfruttare la sua semplicità ed il basso consumo di banda (tale opzione è esplicitamente prevista tra le varie possibilità nelle specifiche di OPC UA). Alla luce dell’importanza che l’IIoT riveste nei moderni impianti industriali, l’obiettivo principale di questa tesi è quindi valutare alcuni aspetti di tali protocolli. Dopo una descrizione delle loro caratteristiche salienti, che influiscono tanto sulle funzionalità quanto sulle prestazioni, vengono presentate due valutazioni sperimentali di prestazioni, nelle quali la metrica analizzata è stata la latenza introdotta dalla comunicazione in rete. La prima riguarda il protocollo OPC UA basato sul paradigma Publish/Subscribe, nel quale il trasporto dei dati avviene per mezzo di MQTT. La seconda è stata invece condotta sul protocollo OPC UA nativo, e ha riguardato la misura e l’analisi dei tempi di notifica di tre differenti implementazioni di server: Unified Automation, Free OPC-UA ed open62541. Inoltre, nell’ambito della tesi è stato definito un approccio volto a migliorare la resilienza del protocollo MQTT, cui ha fatto seguito una sua implementazione prototipale. In particolare, è stata realizzata un’architettura a percorsi ridondati basata su MQTT, concettualmente simile a PRP (Parallel Redundancy Protocol). Anche di questa implementazione si sono valutate le prestazioni in termini delle latenze, e se ne è verificata praticamente la capacità di fare fronte a guasti in grado di compromettere le funzionalità di parte dell’architettura di connessione.