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Frameworks und Transporte:Auswahl der besten IIoT-Konnektivitätslösung

Der Aufbau einer verteilten Systeminfrastruktur in der heutigen aufkommenden Industrial Internet of Things (IIoT)-Landschaft kann, gelinde gesagt, eine gewaltige Aufgabe sein. Wenn Sie Entwickler oder Systemarchitekt sind, wissen Sie, dass es viele Tools und Protokolle gibt, mit denen Sie Daten in Ihrer verteilten Anwendung verschieben können. Ganz zu schweigen von der Möglichkeit, Ihre eigene benutzerdefinierte Lösung direkt auf TCP- oder UDP-Sockets aufzubauen. Wäre es nicht toll, wenn ein Großteil der Arbeit, die erledigt werden musste, bevor Sie sich für Ihre nächste Infrastruktur entscheiden konnten, bereits für Sie erledigt wäre?

Weißt du was? Die Arbeit ist erledigt und steht Ihnen nun zur Verfügung, um Ihnen bei dieser Entscheidung zu helfen. Sie müssen sich fragen:"Wer hat all diese Recherchen durchgeführt und wird sie von einem Unternehmen voreingenommen, das seine eigene Lösung verkaufen möchte?" Die gute Nachricht ist, dass die Forschung von einem unabhängigen Konsortium, dem Industrial Internet Consortium (IIC), durchgeführt wurde. Es wurde herstellerneutral und unvoreingenommen durchgeführt und die daraus resultierenden Informationen stehen Ihnen nun zur Verfügung.

Vollständiger Haftungsausschluss:Ja, ich arbeite für ein Unternehmen, das eine Infrastruktur für das industrielle Internet bereitstellt, aber ich sage keineswegs, dass unsere Lösung die beste Lösung ist. Die eigentliche Antwort auf die Frage "Was ist die beste Lösung?" ist:"Es kommt darauf an."

Die Antwort hängt davon ab, was Sie von einer Infrastrukturlösung benötigen:

Die Antworten auf diese kritischen Fragen und viele mehr sind, was ich in diesem Beitrag untersuche. Am Ende dieses Beitrags haben Sie hoffentlich die Informationen, die Sie benötigen, um eine fundierte Entscheidung über die beste Lösung für Ihre spezielle Anwendung zu treffen.

Über das Industrial Internet Consortium (IIC)

Das IIC wurde 2014 von einigen sehr großen Akteuren der Industrial Internet-Landschaft gegründet. Die Gründungsunternehmen (Cisco, Intel, AT&T, IBM und GE) haben sich zum Ziel gesetzt, eine Organisation zu schaffen, die sich ausschließlich auf die Bedürfnisse industrieller Internetanwendungen konzentriert. Inzwischen besteht das Konsortium aus über 250 großen und kleinen Unternehmen. Die Ergebnisse dieses Konsortiums umfassen eine Reihe von Dokumenten, die den Bedarf und potenzielle Lösungen für diese Arten von industriellen Internetanwendungen skizzieren. Das Dokument IIC Industrial Internet Connectivity Framework (IICF), ein Leitfaden, ist perfekt, um Ihnen bei der Bestimmung der besten Lösung für marktbasierte Beispiele zu helfen. Neben verschiedenen Dokumenten haben sie auch Testbeds eingerichtet, mit denen die Fähigkeit verschiedener Technologien nachgewiesen werden soll, verschiedene reale Marktbeispiele zu erfüllen. Informationen zu den verfügbaren Dokumenten und marktbasierten Testbeds finden Sie auf der IIC-Website.

Daten liefern:Transporte und Frameworks

Es gibt heute viele Lösungen, um Daten zwischen Anwendungen zu übertragen. Im IICF-Dokument werden diese Lösungen in zwei Kategorien unterteilt:Transporte und Frameworks. Werfen wir einen Blick auf diese beiden Arten von Datenübertragungslösungen, um zu sehen, wo sie in den Gesamtstapel der Konnektivitätsschichten passen. Abbildung 1 unten zeigt diesen Konnektivitätsstapel.

Abbildung 1. IIC Connectivity Framework Stack

So ziemlich jeder, der dieses Dokument liest, hat einen solchen Konnektivitäts-Stack gesehen, aber der Stack des IIC unterscheidet sich klar:die Transport- und die Framework-Schicht.

Normalerweise gruppieren wir alle Lösungen, die Sie in den Kategorien Transport und Rahmen sehen, zusammen, aber es gibt einen sehr großen Unterschied zwischen einem Transport und einem Rahmen. Ein Transport wird verwendet, um Daten von Punkt A nach Punkt B zu liefern, während ein Framework im Wesentlichen die Fähigkeiten eines Transports nutzt und gleichzeitig ein Datentypsystem für die Interoperabilität bereitstellt. Einfach ausgedrückt, wenn nur ein Transport verwendet wird, muss die Anwendung die Daten in einen generischen Puffer für die Übergabe an den Transport formulieren. Bei einem Framework muss die Anwendung jedoch nur die Daten an das Framework übergeben, und das Framework kümmert sich um den Aufbau eines Puffers für den zugrunde liegenden Transport, um seine Daten zu senden. Das Arbeiten auf Datenebene für eine Anwendung hat viele Vorteile für Anwendungen, die Funktionen wie Inhaltsfilterung und -erkennung bereitstellen. Wenn Ihre Anwendung jedoch nur etwas auf der Transportschicht verwendet, liegt es an der Anwendung, bei Bedarf Erkennung und Filterung zu implementieren. Tabelle 1 enthält alle Funktionen, die auf jeder Transportschicht oder jedem Framework verfügbar sind.

Tabelle 1. Transport- und Rahmenfähigkeiten

Können Sie mit einem Transport eine verteilte industrielle Internetanwendung aufbauen? Ja. Können Sie mit einem Framework eine verteilte industrielle Internetanwendung erstellen? Ja. Ist das eine besser als das andere? Die eigentliche Antwort lautet:"Es kommt darauf an." Welche Lösung für Ihre Infrastruktur am besten geeignet ist, hängt von den Anforderungen Ihrer Anwendung ab. Der Rest dieses Beitrags wird einige dieser Frameworks und Transporte durchgehen, damit Sie entscheiden können, welche Technologie für Ihre Anwendung die richtige ist.

Transporte

Es gibt heute viele Lösungen, um Daten zwischen Anwendungen zu übertragen. In der IICF werden Transporte genannt, die die Standard-IP-Socket-Schnittstellen von entweder UDP oder TCP nutzen. Wenn Ihre Anwendung eine zuverlässige Datenübertragung benötigt, würde ein Entwickler TCP aufgrund seiner verbindungsorientierten Fähigkeiten und zuverlässigen Mechanismen wählen. Für eine einfachere Verbindung und unzuverlässige Datenübertragung wird UDP aufgrund seiner Benutzerfreundlichkeit und Multicast-Bereitstellung gewählt. Jahrelang nutzten die meisten Netzwerkanwendungen diese grundlegenden Schnittstellen zum Senden und Empfangen von Daten. Alle Fähigkeiten, die von den höheren Schichttransporten (in Tabelle 1 aufgelistet) bereitgestellt werden, müssten direkt innerhalb der Anwendung aufgebaut werden. Wenn wir uns die Transporte auf höheren Ebenen von DDS-RTPS, CoAP, MQTT, HTTP und OPC-UA Bin ansehen, werden wir uns wirklich nur die Details für CoAP und MQTT ansehen. Die Bin-Transporte DDS-RTPS, HTTP und OPC-UA sind grundsätzlich direkt an die darüber liegenden Frameworks von DDS, Web Services bzw. OPC-UA angebunden. Die Möglichkeiten dieser Transporte werden im Rahmen der folgenden Rahmendiskussion erörtert.

MQTT

Werfen wir einen Blick auf Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). Auch hier wird MQTT als Transport aufgeführt, da es kein Datenmodell für Anwendungen erzwingt oder implementiert. Es stellt lediglich einen Puffer zur Verfügung, auf dem Anwendungen ihre Daten zum Senden und Empfangen formulieren müssen. Sein Hauptzweck, für den es erstellt wurde, ist bereits im Namen aufgeführt:Telemetrie. Wenn sich ein Gerät oder eine Anwendung im Außendienst mit einer Back-End-Cloud oder einem externen Verarbeitungsstandort verbindet und Daten an diese übermittelt. Dieser Transport eignet sich hervorragend für Dinge wie ein IoT-Heim-Gateway oder den Manager einer Reihe bereitgestellter Geräte. Die primäre Architektur für MQTT ist Broker-basiert, wie in Abbildung 2 zu sehen ist.

Abbildung 2. MQTT-Broker-Architektur

In dieser Architektur senden alle Remote-Clients ihre Daten an den MQTT-Broker, und der Broker ist dafür verantwortlich, seine Daten an alle Clients zu senden, die diese Daten angefordert haben. Diese Broker-basierte Architektur erleichtert das Senden und Empfangen von Daten in einer lose gekoppelten Weise, eignet sich jedoch nicht für die Unterstützung von Industrieanwendungen mit geringer Latenz und stark deterministischen Bedingungen. Als Transportmittel hat MQTT einen Platz in der Gesamtlandschaft verteilter industrieller Anwendungen. Im Folgenden finden Sie ein Tool, mit dem Sie feststellen können, ob Sie MQTT für Ihr nächstes oder aktuelles Projekt verwenden sollten. Hier sind fünf „Ja“- oder „Nein“-Fragen für Sie. Wenn Sie drei oder mehr dieser Fragen mit „Ja“ beantworten, ist MQTT die richtige Wahl für Sie.

MQTT-Fragen

  1. Betrachten Sie Ihre Bewerbung als Datensammlung?
  2. Gibt es wenig Kommunikation zwischen Gerät und Gerät?
  3. Ist Interoperabilität keine Rolle?
  4. Haben Sie viele kleine Geräte?
  5. Ist Software eine kleine Herausforderung?

MQTT ist der einzige im IICF-Dokument aufgeführte Transport, der nicht wirklich an ein Framework einer höheren Schicht gebunden ist. Aus diesem Grund haben wir es als Transport gesondert herausgestellt. Werfen wir nun einen Blick auf die im IIC-Dokument aufgeführten Frameworks.

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Internet der Dinge-Technologie

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