Fog Computing:IT Compute Stacks treffen auf Open Architecture Control

Fog Computing wird immer beliebter und ist als Konzept für den Einsatz des Industrial IoT bahnbrechend. Fog Computing wird vom OpenFog Consortium definiert als „eine horizontale Architektur auf Systemebene, die Ressourcen und Dienste für Computing, Speicherung, Steuerung und Vernetzung überall entlang des Kontinuums von der Cloud zu den Dingen verteilt“. Bei genauerer Betrachtung der Definition besteht der Zweck darin, Datenverwaltungs- und Rechenressourcen mit geringer Latenzzeit bereitzustellen, um die Autonomie und kontextbezogene, intelligente Systeme zu unterstützen.

Insbesondere ermöglicht Fog Computing eine offene Internetarchitektur für skalierbare Peer-to-Peer-Rechensysteme, die Edge-Analysen, lokale Überwachungs- und Kontrollsysteme unterstützen. Diese letztgenannte Anwendung zur Steuerung halte ich für besonders interessant. Steuerungssysteme gibt es seit Jahrzehnten in verschiedenen Branchen, und in letzter Zeit haben sich einige dieser Branchen auf die Schaffung interoperabler, offener Steuerungsarchitekturen umgestellt. In diesem Blog werfen wir einen Blick auf einige bestehende offene Architektur-Frameworks, die Fog ähneln und wie Fog-Computing und diese Framework-Initiativen von gegenseitiger Bestäubung profitieren könnten.

Steuerung der offenen Architektur

Bereits 2004 begann die Navy mit der Entwicklung ihrer Navy Open Architecture. Um die Kosten zu senken und die Geschwindigkeit und Flexibilität bei der Systembeschaffung zu erhöhen, hat das DoD die Industrie dazu gedrängt, offene Architekturen zu etablieren und zu verwenden. Der Zweck bestand darin, die Integration von Systemen einfacher und kostengünstiger zu machen, indem die Infrastruktursoftware und die Elektronik, die die Subsysteme oder Systeme „zusammenkleben“, klar definiert werden. Die Navy wählte DDS als Publish-Subscribe-Standard für das Verschieben von Daten in Echtzeit über ihre Software-Backplane (Abbildung 1 unten).

Abbildung 1. Funktionsübersicht der Navy Open Architecture. Im Zentrum steht die Verteilungs- und Anpassungs-Middleware für die Integration verteilter Softwareanwendungen.

Schneller Vorlauf bis heute und wir stellen fest, dass die Referenzarchitektur des OpenFog-Konsortiums einer modernen, IT-basierten Version dessen ähnelt, was die Navy 2004 für die Kontrolle der offenen Architektur zusammengestellt hat. Angesichts der Tatsache, dass diese offene Navy-Architektur auf mehreren Schiffen eingesetzt und erfolgreich ausgeführt wird, können wir sicher sein, dass Fog Computing als Architekturmuster für reale Systeme sinnvoll ist. Außerdem können wir wahrscheinlich davon profitieren, wenn wir uns die Erkenntnisse aus der Entwicklung und Bereitstellung der Architektur der Marine ansehen.

OpenFMB

Der Open Field Message Bus (OpenFMB) ist ein neuerer Edge-Intelligence-, verteilter Steuerungsrahmenstandard für intelligente Stromnetzanwendungen. Es wird vom SGIP (Smart Grid Interoperability Panel) entwickelt. Energieversorger suchen nach Wegen, um effizientere und widerstandsfähigere Stromliefersysteme zu schaffen, die saubere Energie und Hightech-Lösungen nutzen.

Anstelle von großen, zentralisierten Kraftwerken, die fossile Brennstoffe verbrennen oder Kernkraft zum Antrieb von rotierenden Turbinen und Generatoren verwenden, haben sich dezentrale Energieressourcen (DERs) als grünere, lokale (am Rand des Stromnetzes) Alternativen entwickelt, die keinen Strom übertragen müssen über lange Distanzen. DERs sind in der Regel saubere Energielösungen (Solar, Wind, Wasser, Geothermie), die für die lokale Erzeugung, Speicherung und den Verbrauch von Elektrizität sorgen. Aber DERs sind intermittierend und müssen lokal verwaltet und kontrolliert werden, im Gegensatz zu zentral, was im aktuellen Stromnetz alles ist, was verfügbar ist.

Verteilte Intelligenz und Edge Control sind die Lösung. Das OpenFMB-Framework wird in Smart-Grid-Testbeds und Feldsystemen eingesetzt und erprobt. Wenn Sie sich die OpenFMB-Architektur ansehen (Abbildung 2 unten), können Sie das Konzept eines Software-Integrationsbusses klar veranschaulicht sehen.

Abbildung 2. Die OpenFMB-Architektur integriert Subsysteme und Anwendungen über einen zentralen Publish-Subscribe-Bus in Echtzeit.

Wie die Navy Open Architecture sieht die OpenFMB-Architektur der verteilten Intelligenz sehr ähnlich wie eine Fog-Computing-Umgebung. Da OpenFMB noch in der Entwicklung ist, würde ich wetten, dass das OpenFog-Konsortium und das OpenFMB-Projektteam von einer Zusammenarbeit profitieren würden.

OpenICE

Die Patientenüberwachung, insbesondere auf Intensivstationen und Notaufnahmen, ist ein anspruchsvoller Prozess. An einem Patienten können weit über ein Dutzend Geräte angeschlossen sein – und keines davon funktioniert zusammen. Um die Daten zu integrieren, die für intelligente Entscheidungen über das Wohlergehen und die Sicherheit des Patienten erforderlich sind, muss jemand das Front-End jedes Geräts lesen und eine „Sensorfusion“ in seinem Kopf oder verbal mit einer anderen Person durchführen.

OpenICE, die integrierte klinische Open-Source-Umgebung, wurde von der IT-Community im Gesundheitswesen entwickelt, um ein offenes Architektur-Framework bereitzustellen, das die Interoperabilität medizinischer Geräte und die Entwicklung intelligenter medizinischer Anwendungen unterstützt. OpenICE (Abbildung 3 unten) bietet einen zentralen Datenbus zur Integration von Softwareanwendungen und medizinischen Geräten.

Abbildung 3. Die verteilte OpenICE-Rechenarchitektur mit DDS-basiertem Datenbus erleichtert die Integration medizinischer Geräte und Softwareanwendungen.

Auch hier unterstützt die OpenICE-Architektur verteiltes, lokales Monitoring, Integration und Kontrolle und sieht einer Fog-Architektur sehr ähnlich.

Und jetzt Open Process Automation

Vor kurzem haben sich Exxon-Mobil und andere Prozessautomatisierungskunden über das Open Process Automation Forum versammelt, um mit der Definition eines Prozessautomatisierungs-Frameworks mit offener Architektur zu beginnen. Wenn Sie sich die verschiedenen Raffinerien von Exxon-Mobil ansehen, finden Sie verteilte Steuerungssysteme von mehreren Anbietern. Jeder große Anbieter von Prozessautomatisierungssystemen oder verteilten Steuerungssystemen hat seine eigenen Protokolle, Managementschnittstellen und Anwendungsentwicklungsökosysteme.

In dieser ummauerten Gartenumgebung ist die Integration eines neuesten und besten Subsystems, Sensors oder Geräts viel schwieriger. Die Integrationskosten sind höher, Gerätehersteller müssen mehrere Protokolle unterstützen und die Entwicklung von Softwareanwendungen muss auf jedes Ökosystem ausgerichtet sein. Die Gelegenheit für das Open Process Automation Forum besteht darin, eine einzelne IIoT-basierte Architektur zu entwickeln, die Innovation fördert und die Integration rationalisiert.

Wenn wir uns das Exxon-Mobil-Diagramm unten ansehen, finden wir wieder eine Architektur, die um einen Integrationsbus zentriert ist, den sie als Echtzeit-Servicebus bezeichnen. Der Zweck besteht darin, eine Softwareanwendung mit offener Architektur und einen Geräteintegrationsbus bereitzustellen.

Abbildung 4. Exxon-Mobils Vision einer offenen Architektur für die Prozessautomatisierung rund um einen Echtzeit-Servicebus.

Auch hier sehen wir eine sehr ähnliche Architektur wie das, was im IIoT als Fog Computing entwickelt wird.

Die Gelegenheit

Jede dieser Initiativen für offene Architektur versucht, moderne IIoT-Techniken, -Technologien und -Standards auf ihre besonderen Überwachungs-, Analyse- und Kontrollherausforderungen anzuwenden. Die Vorteile liegen in der Förderung von Innovation mit einem offenen Ökosystem und einer optimierten Integration mit einer offenen Architektur.

Zentrales Element der Architektur ist jeweils ein Software-Integrationsbus (in vielen Fällen ein DDS-Datenbus), der als Software-Backplane dient und eine verteilte Steuerung, Überwachung und Analyse ermöglicht. Jede Gruppe befasst sich auch (oder muss sich) mit den anderen Aspekten des Fog-Computing wie End-to-End-Sicherheit, Systemverwaltung und -bereitstellung, verteilte Datenverwaltung und andere Aspekte einer funktionalen Fog-Computing-Architektur befassen. Sie haben die Möglichkeit, die anderen Fähigkeiten des Industrial IoT unkontrolliert zu nutzen.

Wir haben die Möglichkeit, aus jeder Anstrengung zu lernen, Best Practices gegenseitig zu befruchten und eine gemeinsame Architektur zu entwickeln, die mehrere Branchen und Anwendungsdomänen umfasst

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