Gegevensconnectiviteit in de industriële internetreferentiearchitectuur

Vandaag heeft het Industrial Internet Consortium (IIC) de Industrial Internet Reference Architecture (IIRA) uitgebracht. De IIC is de grootste van de Internet of Things (IoT) consortia met meer dan 170 leden (iiconsortium.org). Wat nog belangrijker is, het is de enige die zich richt op industriële systemen. De eerste publieke release van de IIRA is een formeel overzicht van de systeemarchitectuur vanuit een hoogstaand perspectief. Het omvat alles, van bedrijfsdoelen tot systeeminteroperabiliteit. De architectuur stelt veel belangrijke technische richtlijnen vast. Van cruciaal belang is dat het ook veel benaderingen elimineert; een architectuur gaat net zo goed over wat je niet kunt als wat je wel kunt.

Wij bij Real-Time Innovations (RTI) zijn het meest enthousiast over één belangrijk aspect:de IIRA-connectiviteitsarchitectuur. "Connectiviteit", of hoe dingen communiceren, is een van de grootste uitdagingen voor het opkomende Industrial Internet of Things (IIoT). De IIRA hanteert een innovatieve, gedistribueerde "databus"-benadering die de interoperabiliteit vereenvoudigt en tegelijkertijd topprestaties, betrouwbaarheid en beveiliging biedt.

De kracht van gemeenschappelijke architectuur

Uiteindelijk gaat het IIoT over het bouwen van gedistribueerde systemen. Alle onderdelen intelligent met elkaar verbinden, zodat het systeem optimaal kan presteren, schalen, evolueren en functioneren, is de crux van de IIRA.

Om het IIoT mogelijk te maken, moeten we een gemeenschappelijke architectuur die de computercapaciteit kan overspannen, met verschillende leveranciers kan samenwerken en sectoren kan overbruggen. In de loop van de tijd vervangen gemeenschappelijke technologieën die industrieën overspannen altijd op maat gemaakte systemen. Incrementele acceptatie en aanpassing van de huidige technologie zijn echter ook cruciaal. Het IIoT moet daarom veel standaarden en connectiviteitstechnologieën integreren. De IIC-architectuur combineert expliciet de verschillende connectiviteitstechnologieën in een onderling verbonden toekomst die de ingrijpende visie van een enorm verbonden nieuwe wereld mogelijk maakt.

Dit is het probleem van "interoperabiliteit", en het is echt de specialiteit van RTI. RTI neemt deel aan 15 verschillende normen en consortia-inspanningen. Ze omvatten vele industrieën:marinesystemen, luchtvaartelektronica, energie, medische apparatuur, onbemande voertuigen, consumentenelektronica, industriële controle en televisie-uitzendingen, om er maar een paar te noemen. Allemaal gericht op het laten samenwerken van systemen. De IIC maakt gebruik van ervaring uit deze industrieën en meer.

De integratie-uitdaging

Wanneer u veel verschillende systemen verbindt, is het fundamentele probleem het "N-kwadraat"-interconnectieprobleem. Om twee systemen met elkaar te verbinden, moeten veel aspecten op elkaar worden afgestemd, waaronder protocol, datamodel, communicatiepatroon en quality of service (QoS)-parameters zoals betrouwbaarheid, datasnelheid of timingdeadlines. Hoewel het verbinden van twee systemen een uitdaging is, is het oplosbaar met een speciale "brug". Maar het schaalt niet; N . verbinden systemen samen vereist N - vierkante bruggen. Als N groot wordt, wordt dit ontmoedigend.

Een manier om dit probleem op te lossen is door N klein te houden. U kunt dat doen door alle standaarden en technologieën te dicteren in alle systemen die met elkaar samenwerken. Veel branchespecifieke normalisatie-instellingen volgen deze weg met succes. De European Generic Vehicle Architecture (GVA) specificeert bijvoorbeeld elk aspect van het bouwen van militaire grondvoertuigen, van low-level connectoren tot datamodellen op het hoogste niveau. De Duitse Industrie 4.0-inspanning doet hetzelfde in de maakindustrie en maakt keuzes voor bestelling en levering, fabrieksontwerp, technologie en productplanning. Er is slechts één standaard per taak toegestaan.

Deze aanpak vereenvoudigt de onderlinge samenwerking. Helaas is het resultaat beperkt in omvang omdat de star gekozen standaarden niet alle functies en kenmerken kunnen bieden. Er zijn gewoon te veel speciale vereisten om op deze manier effectief de verschillende sectoren te doorkruisen. Het dicteren van standaarden lost ook het legacy-integratieprobleem niet op. Deze twee beperkingen (bereik en legacy-limieten) maken deze benadering ongeschikt voor het bouwen van een breed, sectoroverschrijdend industrieel internet.

Aan de andere kant van het spectrum kun je een heel algemeen brugpunt bouwen. Enterprise-webservices werken op deze manier, met behulp van een "Enterprise Service Bus" (ESB) zoals Apache Camel. Ondanks de "bus" in zijn naam is een ESB echter geen gedistribueerd concept. Alle systemen moeten verbinding maken met een enkel punt, waar elke binnenkomende standaard wordt toegewezen aan een gemeenschappelijk objectformaat. Omdat alles in één formaat wordt weergegeven, vereist de ESB slechts een "one-way" vertaling, waarbij de N wordt vermeden -kwadraat probleem. Camel ondersteunt bijvoorbeeld honderden adapters die elk één protocol of gegevensbron converteren.

Helaas werkt dit niet goed voor veeleisende industriële systemen. De enkele ESB-service is een duidelijk verstikkings- en storingspunt. ESB's zijn grote, trage programma's. In de onderneming verbinden ESB's grootschalige systemen die slechts een paar transacties per seconde uitvoeren. Industriële toepassingen hebben een veel snellere, betrouwbare service met een kleinere korrel nodig. ESB's zijn dus niet levensvatbaar voor de meeste IIoT-toepassingen.

De IIRA Connectivity Core Standard

De IIRA hanteert een intermediaire benadering. Het ontwerp introduceert het concept van een "Connectivity Core Standard". In tegenstelling tot een ESB is de kernstandaard een gedistribueerd concept. Sommige eindpunten kunnen rechtstreeks verbinding maken met de kernstandaard. Andere eindpunten en subsystemen zijn verbonden via "gateways". De kernstandaard verbindt ze vervolgens allemaal met elkaar. Hierdoor zijn meerdere protocollen mogelijk zonder tussen alle mogelijke paren te hoeven overbruggen. Elk heeft slechts één brug naar de kern nodig.

Net als een ESB lost dit de N . op -kwadraat probleem. Maar, in tegenstelling tot een ESB, biedt het een snelle, gedistribueerde kern, ter vervanging van het gecentraliseerde servicemodel. Verouderde en minder capabele connectiviteitstechnologieën transformeren via een gateway naar de kernstandaard. Er zijn alleen N transformaties, waarbij N is het aantal connectiviteitsstandaarden.

Het is duidelijk dat dit ontwerp een zeer functionele kernconnectiviteitsstandaard vereist. Sommige systemen kunnen rondkomen met langzame of eenvoudige kernen. Maar de meeste industriële systemen moeten veel gegevens identificeren, beschrijven, vinden en communiceren met eisen die in andere contexten niet te zien zijn. Veel applicaties hebben levering in microseconden nodig of de mogelijkheid om te schalen naar duizenden of zelfs miljoenen gegevenswaarden en knooppunten. De gevolgen van een storing in de betrouwbaarheid kunnen groot zijn. Aangezien de kernstandaard echt de kern van het systeem is, moet deze presteren.

De IIRA specificeert de belangrijkste functies die het connectiviteitsraamwerk en de kernstandaard ervan moeten bieden:gegevensontdekking, uitwisselingspatronen en "quality of service" (QoS). QoS-parameters omvatten functies voor leveringsbetrouwbaarheid, bestelling, duurzaamheid, levensduur en fouttolerantie. Met deze mogelijkheden kan de kernconnectiviteit het betrouwbare, snelle en veilige transport implementeren dat vereist is voor veeleisende toepassingen in verschillende sectoren.

Beveiliging is ook van cruciaal belang. Om beveiliging correct te laten werken, moet het nauw verbonden zijn met de architectuur. De "kern"-standaard kan bijvoorbeeld verschillende patronen en leveringsmogelijkheden ondersteunen. Het beveiligingsontwerp moet daar precies op aansluiten. Als de connectiviteit bijvoorbeeld publiceren/abonneren ondersteunt, moet beveiliging dat ook zijn. Als de kern multicast ondersteunt, moet de beveiliging dat ook zijn. Als de kern dynamische plug-n-play-detectie ondersteunt, moet beveiliging dat ook zijn. Beveiliging die zo nauw verbonden is met de architectuur, kan op elk moment worden opgelegd zonder de code te wijzigen. Beveiliging wordt gewoon een andere gecontroleerde servicekwaliteit, zij het complexer geconfigureerd. Dit is een zeer krachtig concept.

De geïntegreerde beveiliging moet verder reiken dan de kern. De IIRA laat dat ook toe; alle andere connectiviteitstechnologieën kunnen bij de gateways worden beveiligd.

DDS als kernstandaard

De IIRA specificeert geen normen; de IIC zal die stap in de volgende release zetten. Het is echter duidelijk dat de DDS-standaard (Data Distribution Service) uitstekend past bij de IIRA. DDS biedt geautomatiseerde detectie, elk va

[1] [2] 下一页