Datenkonnektivität in der Industrial Internet Reference Architecture

Das Industrial Internet Consortium (IIC) hat heute die Industrial Internet Reference Architecture (IIRA) veröffentlicht. Das IIC ist mit über 170 Mitgliedern das größte Konsortium des Internet of Things (IoT) (iiconsortium.org). Noch wichtiger ist, dass es das einzige ist, das sich auf industrielle Systeme konzentriert. Die erste öffentliche Veröffentlichung des IIRA ist ein formaler Überblick über die Systemarchitektur aus einer übergeordneten Perspektive. Es deckt alles ab, von Geschäftszielen bis hin zur Systeminteroperabilität. Die Architektur legt viele wichtige technische Richtlinien fest. Entscheidend ist, dass es auch viele Ansätze eliminiert; bei einer architektur geht es genauso viel um das, was man nicht tun kann, wie um das, was man tun kann.

Wir von Real-Time Innovations (RTI) sind von einem Schlüsselaspekt am meisten begeistert:der IIRA-Konnektivitätsarchitektur. „Konnektivität“, oder wie Dinge kommunizieren, ist eine der größten Herausforderungen für das aufkommende Industrial Internet of Things (IIoT). Der IIRA verfolgt einen innovativen, verteilten „Datenbus“-Ansatz, der die Interoperabilität erleichtert und gleichzeitig höchste Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit bietet.

Die Macht der gemeinsamen Architektur

Letztendlich geht es beim IIoT um den Aufbau verteilter Systeme. Die intelligente Verbindung aller Teile, damit das System optimal funktionieren, skalieren, weiterentwickeln und funktionieren kann, ist der Kern des IIRA.

Um das IIoT zu ermöglichen, müssen wir ein gemeinsames Architektur, die Computing-Kapazitäten umfassen, herstellerübergreifend zusammenarbeiten und Branchen überbrücken kann. Im Laufe der Zeit ersetzen gängige branchenübergreifende Technologien immer maßgeschneiderte Systeme. Die schrittweise Einführung und Anpassung der aktuellen Technologie sind jedoch ebenfalls von entscheidender Bedeutung. Das IIoT muss daher viele Standards und Konnektivitätstechnologien integrieren. Die IIC-Architektur verbindet die verschiedenen Konnektivitätstechnologien explizit mit einer vernetzten Zukunft, die die umfassende Vision einer enorm vernetzten neuen Welt ermöglichen kann.

Dies ist das Problem der „Interoperabilität“, und es ist wirklich die Spezialität von RTI. RTI beteiligt sich an 15 verschiedenen Standards und Konsortien. Sie umfassen viele Branchen:Marinesysteme, Avionik, Energie, medizinische Geräte, unbemannte Fahrzeuge, Unterhaltungselektronik, industrielle Steuerung und Fernsehübertragungen, um nur einige zu nennen. Alle konzentrieren sich darauf, wie Systeme zusammenarbeiten können. Das IIC greift auf Erfahrungen aus diesen und anderen Branchen zurück.

Die Integrationsherausforderung

Wenn Sie viele verschiedene Systeme verbinden, ist das grundlegende Problem das Problem der „N-Quadrat-Verbindung“. Die Verbindung zweier Systeme erfordert die Abstimmung vieler Aspekte, einschließlich Protokoll, Datenmodell, Kommunikationsmuster und Dienstgüteparameter (QoS) wie Zuverlässigkeit, Datenrate oder Zeitvorgaben. Die Verbindung zweier Systeme ist zwar eine Herausforderung, aber mit einer speziellen „Brücke“ lösbar. Aber es skaliert nicht; verbinden N Systeme zusammen erfordern N -quadratische Brücken. Als N groß wird, wird das entmutigend.

Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, N klein zu halten. Sie können dies tun, indem Sie alle Standards und Technologien für alle Systeme vorschreiben, die interoperieren. Viele branchenspezifische Normungsgremien gehen diesen Weg erfolgreich. Beispielsweise spezifiziert die European Generic Vehicle Architecture (GVA) jeden Aspekt des Baus von militärischen Bodenfahrzeugen, von Low-Level-Connectors bis hin zu Top-Level-Datenmodellen. Ähnliches gilt für die deutschen Industrie-4.0-Anstrengungen in der Fertigungsindustrie, die Entscheidungen in Bezug auf Bestellung und Lieferung, Fabrikplanung, Technologie und Produktplanung trifft. Es ist nur ein Standard pro Aufgabe zulässig.

Dieser Ansatz erleichtert die Zusammenarbeit. Leider ist das Ergebnis in seiner Reichweite eingeschränkt, da die streng gewählten Standards nicht alle Funktionen und Features bieten können. Es gibt einfach zu viele spezielle Anforderungen, um auf diese Weise branchenübergreifend effektiv zu sein. Das Diktieren von Standards behebt auch nicht das Problem der Legacy-Integration. Diese beiden Einschränkungen (Umfangs- und Legacy-Grenzen) machen diesen Ansatz für den Aufbau eines weitreichenden, branchenübergreifenden industriellen Internets ungeeignet.

Am anderen Ende des Spektrums können Sie einen sehr allgemeinen Brückenpunkt bauen. Enterprise-Webdienste funktionieren auf diese Weise und verwenden einen „Enterprise Service Bus“ (ESB) wie Apache Camel. Trotz des „Busses“ im Namen ist ein ESB jedoch kein verteiltes Konzept. Alle Systeme müssen mit einem einzigen Punkt verbunden sein, an dem jeder eingehende Standard einem gemeinsamen Objektformat zugeordnet wird. Da alles auf ein Format abgebildet wird, erfordert der ESB nur eine „unidirektionale“ Übersetzung, wodurch das N . vermieden wird -quadratisches Problem. Camel zum Beispiel unterstützt Hunderte von Adaptern, die jeweils ein Protokoll oder eine Datenquelle konvertieren.

Dies funktioniert leider nicht gut für anspruchsvolle Industriesysteme. Der einzelne ESB-Dienst ist ein offensichtlicher Engpass- und Fehlerpunkt. ESBs sind große, langsame Programme. In Unternehmen verbinden ESBs große Systeme, die nur wenige Transaktionen pro Sekunde ausführen. Industrielle Anwendungen benötigen einen viel schnelleren, zuverlässigen und feinkörnigeren Service. Daher sind ESBs für die meisten IIoT-Anwendungen nicht geeignet.

Der IIRA-Konnektivitäts-Kernstandard

Die IIRA verfolgt einen Zwischenansatz. Das Design führt das Konzept eines „Connectivity Core Standards“ ein. Im Gegensatz zu einem ESB ist der Kernstandard ein sehr verteiltes Konzept. Einige Endpunkte können sich direkt mit dem Core-Standard verbinden. Andere Endpunkte und Subsysteme verbinden sich über „Gateways“. Der Kernstandard verbindet sie dann alle miteinander. Dies ermöglicht mehrere Protokolle, ohne zwischen allen möglichen Paaren überbrücken zu müssen. Jeder benötigt nur eine Brücke zum Kern.

Wie ein ESB löst dies das N -quadratisches Problem. Im Gegensatz zu einem ESB bietet es jedoch einen schnellen, verteilten Kern, der das zentralisierte Servicemodell ersetzt. Alte und weniger leistungsfähige Konnektivitätstechnologien verwandeln sich durch ein Gateway zum Kernstandard. Es gibt nur N Transformationen, wobei N ist die Anzahl der Konnektivitätsstandards.

Offensichtlich erfordert dieses Design einen sehr funktionalen Kernkonnektivitätsstandard. Einige Systeme können mit langsamen oder einfachen Kernen auskommen. Die meisten industriellen Systeme müssen jedoch viele Daten mit Anforderungen identifizieren, beschreiben, finden und kommunizieren, die in anderen Kontexten nicht zu sehen sind. Viele Anwendungen müssen in Mikrosekunden bereitgestellt oder auf Tausende oder sogar Millionen von Datenwerten und Knoten skaliert werden können. Die Folgen eines Ausfalls der Zuverlässigkeit können schwerwiegend sein. Da der Kernstandard wirklich der Kern des Systems ist, muss er funktionieren.

Der IIRA spezifiziert die Schlüsselfunktionen, die das Konnektivitäts-Framework und sein Kernstandard bereitstellen sollten:Datenerkennung, Austauschmuster und „Quality of Service“ (QoS). Zu den QoS-Parametern gehören Lieferzuverlässigkeit, Bestellung, Haltbarkeit, Lebensdauer und Fehlertoleranzfunktionen. Mit diesen Fähigkeiten kann die Kernkonnektivität den zuverlässigen, schnellen und sicheren Transport implementieren, der von anspruchsvollen Anwendungen in allen Branchen benötigt wird.

Auch die Sicherheit ist entscheidend. Damit die Sicherheit richtig funktioniert, muss sie eng mit der Architektur verbunden sein. Zum Beispiel kann der "Kern"-Standard verschiedene Muster und Lieferfähigkeiten unterstützen. Das Sicherheitsdesign muss genau dazu passen. Wenn die Konnektivität beispielsweise Publish/Subscribe unterstützt, muss dies auch für die Sicherheit gelten. Wenn der Kern Multicast unterstützt, muss dies auch die Sicherheit. Wenn der Kern dynamische Plug-and-Play-Erkennung unterstützt, muss dies auch die Sicherheit. Sicherheit, die so eng mit der Architektur verbunden ist, kann jederzeit auferlegt werden, ohne den Code zu ändern. Sicherheit wird zu einer weiteren kontrollierten Servicequalität, wenn auch komplexer konfiguriert. Dies ist ein sehr mächtiges Konzept.

Die integrierte Sicherheit muss über den Kern hinausgehen. Auch das lässt die IIRA zu; alle anderen Konnektivitätstechnologien können an den Gateways abgesichert werden.

DDS als Kernstandard

Die IIRA legt keine Standards fest; das IIC wird diesen Schritt in der nächsten Version unternehmen. Es ist jedoch klar, dass der DDS-Standard (Data Distribution Service) hervorragend zum IIRA passt. DDS biete

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