zoeken binnen de website

Self-Stabilising systems

iBestuur academie, mastercourse smart cities - Ben van Lier

door: Ben van Lier | 21 mei 2019

Een van de grondleggers van de cybernetica, Ross Ashby, definieert in 1954 homeostasis als gedrag van onderling verbonden machines dat: “is adaptive if it maintains the essential variables within physiological limits” [1].

Ashby baseert zijn definitie op experimenten die hij uitvoert met vier onderling verbonden machines die als geheel door hem een homeostat wordt genoemd. Stabiliteit in het functioneren van dit geheel wordt gerealiseerd als een eigenschap van het geheel. Deze eigenschap is voor Ashby een vorm van zelfstandige coördinatie van activiteiten door en tussen te onderscheiden machines.

In de huidige tijd worden met een enorme snelheid apparaten en machines verbonden in netwerken, zoals het (Industrial) Internet of Things. Dit biedt niet alleen nieuwe mogelijkheden, maar ook snel toenemende bedreigingen waarvan wij ons nog onvoldoende bewust zijn en waarop wij zeker nog geen adequaat antwoord hebben. Mogelijkerwijs dat zoeken naar de essentie van ogenschijnlijk nieuwe technologie, zoals blockchaintechnologie of cybersecurity, nieuwe combinaties oplevert voor het ontwikkelen van nieuwe kennis en toepassingen.

Self-stabilising systems

Voor Ashby is het een gegeven dat twee of meer systemen onderling kunnen worden verbonden. Door het creëren van onderlinge verbindingen kunnen de te onderscheiden systemen gezamenlijk communiceren en interacteren en zo een nieuw geheel vormen. Het creëren van stabiliteit van het geheel is voor Ashby een vorm van ‘adaptive behaviour’. Ashby is van mening dat “change of stability can only be due to change of value of a parameter, and change of value of a parameter causes a change in stability”.

In het begin van de jaren zeventig van de vorige eeuw werpt Dijkstra de vraag op of een eigenschap van zelfstabiliteit van een geheel, dat bestaat uit onderling verbonden systemen, interessant zou kunnen zijn op een schaal “from a world-wide network to a common bus control”. Door Dijkstra wordt zelfstabiliteit van systemen in deze context gedefinieerd als: “if and only if regardless of the initial state and regardless of the privilege selected each time for the next move, always at least one privilege will be present and the system is guaranteed to find itself in a legitimate state after a finite number of moves” [2].

In hetzelfde jaar brengt Lamport een aanvulling aan op de definitie van Dijkstra en stelt: “Self-stabilizing systems represent ones which are self-correcting: even if they reach an incorrect state through some transient malfunction, they will eventually resume correct operation”. [3] De door Lamport aangebrachte verfijning in de definitie maakt het mogelijk om in netwerk verbonden machines als buren te laten communiceren wanneer een specifieke verbinding tussen de buren is aangebracht. Lamport legt daarmee de basis voor het denken over gedistribueerd opererende systemen die met elkaar in netwerken zijn verbonden. Hij stelt hierover: “a distributed system consists of a collection of distinct processes which are spatially speared, and which communicate with one another by exchanging messages. A network of interconnected computers, such as the ARPA net, is a distributed system.

Betrouwbare berichtuitwisseling zorgt ervoor dat het functioneren van het geheel aan onderling verbonden systemen niet kan worden verstoord door verandering van een of enkele van de aangesloten systemen. Uiteindelijk neemt Lamport de uitgangspunten van zelfstabilisatie op in het PAXOS-algoritme. Lamport creëert hiermee een mogelijkheid voor het ontwikkelen van een zelfstabiliserend geheel van onderling verbonden systemen die op basis van collectieve besluitvorming en informatie-uitwisseling door kunnen blijven functioneren, ook bij het optreden van veranderingen voortkomend van buiten het systeem in een of enkele van de aangesloten systemen.

In 2018 [4] stelt het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) vast dat blockchaintechnologie in de basis ontstond in de jaren tachtig en negentig van de vorige eeuw. Het PAXOS-algoritme als consensusmodel voor het bereiken van overeenstemming over een specifiek resultaat tussen onderling verbonden machines vormde daarbij de kern. Deze concepten vormden uiteindelijk, volgens NIST, de basis voor digitaal geld, onder andere in de vorm van de bitcoin-cryptocurrency.

Cybersecurity

Voor Singer [5] zijn veranderingen van buiten het systeem in de huidige tijd te benoemen als een cybersecurityprobleem wanneer een buitenstaander “seeks to gain something from the activity, whether to obtain private information, undermine the system, or prevent its legitimate use”. Het bewust binnendringen van een of meerdere in netwerken verbonden systemen of onderdelen daarvan en daarmee opzettelijk het functioneren van het geheel verstoren, vormt een steeds groter wordende en actuele bedreiging voor het functioneren van onze samenleving. De omvang van deze nieuwe bedreiging wordt steeds groter naarmate, zoals Schneier stelt, “Everything is becoming one hyper-connected system in which, even if things don’t interoperate, they’re on the same network and effect each other”.6

Dergelijke systemen worden ook wel cyber-physical systems genoemd. NIST definieert deze systemen als “smart systems that include engineered interacting networks of physical and computational components” [7]. Deze slimme in netwerken verbonden systemen omvatten eigenlijk steeds meer apparaten waarmee wij leven (smartphones, televisies, koelkasten, auto’s), werken (industriële robots, elektriciteitsnetwerken) of onze gezondheid bevorderen (MRI-scanners, digitale infuuspompen, geïmplanteerde glucosemeters et cetera). Het zijn allemaal gedistribueerd opererende systemen die in netwerken, zoals het internet, zijn verbonden en in deze netwerken communiceren en interacteren op basis van onderling uitgewisselde berichten.

Veiligheid

Het zijn ook veelal slecht te beveiligen of onbeveiligde systemen. Steeds duidelijker wordt dat het binnendringen van een of meerdere van deze systemen kan leiden tot grote verstoringen in het geheel van een netwerk. Recente activiteiten, zoals operatie Cloudhopper, ransomware-aanvallen op Maersk in Rotterdam of Hydros in Noorwegen, Hatman-malware in de petrochemische industrie of crashoverride-aanvallen op elektriciteitsnetwerken, maken duidelijk dat de veiligheid van de enormiteit aan onderling verbonden systemen niet meer als vanzelfsprekend kan worden beschouwd. Zoals Kello stelt: “understanding the cyber question requires a new paradigm of security commensurate with it, one that privileges not just physical but also nonphysical threats and that elevates nonstate actors to a higher level of theoretical existence than the traditionalist viewpoint allows.” [8]

Het begrijpen van de nieuwe cyberdreiging is niet mogelijk zonder het begrijpen van de essentie van de nieuwe netwerken en de daarin gedistribueerd opererende apparaten en machines in de vorm van cyber-physical systemen die in wisselende combinaties communiceren en interacteren. Het combineren van mogelijkheden van zelfstabilisatie van onderling verbonden systemen en deze zo in staat stellen zelf veranderingen in het gedrag van een of enkele participerende systemen op te vangen of te corrigeren en daarmee hun gezamenlijke veiligheid te bevorderen, lijkt hiervoor potentie te hebben. De uitwerking van de nieuwe combinatie vraagt echter om meer kennisontwikkeling van de mogelijkheden van zelfstabilisatie van samenwerkende cyberphysical systemen en de relatie tot hun gezamenlijke veiligheid.

Conclusies

De huidige technologische ontwikkelingen, zoals het internet, (Industrial) Internet of Things of cyber-physical systemen, worden gevoed door de snelle kennisontwikkeling in de afgelopen zeventig jaar. Uit deze kennisontwikkeling komen nieuwe technologieën, toepassingen en ook nieuwe bedreigingen voort die gezamenlijk een steeds grotere omkadering vormen van ons dagelijks leven en werk. Heidegger is er van overtuigd dat de essentie van nieuwe technologie zich pas echt openbaart in een wereld van onwetendheid en onbewustheid. Technologie in zijn huidige openbaring van onderling verbonden systemen die gezamenlijk een nieuw geheel vormen, dwingen ons dan ook snel op zoek te gaan naar de essentie van deze nieuwe technologie en de uit deze essentie voorvloeiende bedreigingen en wat dit betekent voor ons als mens. Zoals Heidegger stelt: “the essence of technology lies in what from the beginning and before all else gives food for thought” [9].

Onderzoek naar de essentie van de nieuwe en onderling verbonden technologie, zoals deze zich tot nu toe heeft ontwikkeld, moet zich niet alleen richten op nieuwe mogelijkheden, maar ook op de bedreigingen die kunnen voortvloeien uit het zelfstandig functioneren van dit geheel. Het ontwikkelen van nieuwe kennis en inzichten gebaseerd op analyses van de historie van de onderling verbonden mogelijkheden en bedreigingen kunnen ons helpen de onwetendheid en onbewustheid te bestrijden en tegelijkertijd een bijdrage te leveren aan het vinden van een nieuwe stabiliteit tussen systemen onderling en tussen systemen en mensen.

[1] Ashby R.W. (1954) Design for a brain. New York, John Wiley & Sons Inc.
[2] Dijkstra E.W. (1974) Self-Stabilizing systems in spite of distributed control. Commun. ACM 17 (1974), 11: 643-644
[3] Lamport L. (1974) On self-stabilizing systems. Massachusetts Computer Associates Inc. December 5, 1974 CA 7412-0511
[4] Yaga D., Mell P., Roby N., Scarfone K. (2018) National Institute of Standards and Technology. Blockchain Technology Overview 2. Draft NISTIR 8202. January, 2018
[5] Singer P.W. and Friedman A. (2014) Cybersecurity and Cyberwar. What everyone needs to know. New York, Oxford university Press. ISBN 9780199918119
[6] Schneier B. (2018) Click here to kill everybody. Security and survival in a hyper-connected world. New York, W.W. Norton & Company. ISBN 9780393608885
[7] National Institute of Standards and Technology (2017) Framework for cyber-physical systems. Volume 11, NIST special publication 1500-201 Version 1.0 Cyber-Physical Systems Public Working Group.
[8] Kello L. (2017) The virtual weapon and International order. New Haven, Yale university Press. ISBN 9780300220230
[9] Heidegger M. (1964) What is called Thinking. Translated by Gray J.G.. New York, Harper Perennial. ISBN 006090528X

tags: , ,

Reactieformulier

De met een * gemarkeerde velden zijn verplicht. U ziet eerst een voorbeeld en daarna kunt u uw bijdrage definitief plaatsen. Uw e-mailadres wordt niet op de site getoond. Reacties zonder achternaam worden verwijderd. Anoniem reageren alleen in uitzonderlijke gevallen in overleg met de redactie. U kunt bij de vormgeving van uw reactie gebruik maken van textile en er is beperkt gebruik van html mogelijk.