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8-2017

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Kommunikation PrismTech

Kommunikation PrismTech Vortex: Middleware für die DDS-Kommunikation Echtzeit-Kommunikation am Edge IIoT-Systeme benötigen den Datenfluss in Nord-Süd- sowie Ost-West-Richtung Die Vorteile der DDS-Kommunikation in Echtzeit sind für industrielle IoT-Gateways und Fog-Knoten essentiell, denn nur so können sich Roboter und Fertigungszellen sowie autonom fahrende Flurförderzeuge in Echtzeit synchronisieren. Die Vortex-Plattform der zu Adlink Technology gehörenden PrismTech erleichtert diese Implementierung, durch die cyber-physische Fabriken entstehen. Aufgrund des immensen Datenvolumens, der Datenverteilung, der Datengeschwindigkeit, der Datensicherheit, der Datenabhängigkeit und der Datenvielfalt reicht eine Cloud-zentrische Architektur in einem Industrial IoT (IIoT)-System allein nicht mehr aus. Die Gründe hierfür sind vielfältig: So steht nicht immer genügend Bandbreite zur Cloud zur Verfügung, um wirklich alle IIoT-Daten für beispielsweise SaaS-Anwendungen bereitzustellen. Auch haben nicht alle Maschinen und Geräte eine konstant verfügbare Cloud-Verbindung. Zum Teil sind auch Latenzen und Jitter zwischen den Devices und den Cloud- Diensten zu groß, sodass Clouds für manche Entscheidungen nicht eingesetzt werden können. Auch können die Kosten der Konnektivität für das erforderliche Datenvolumen zu einer Cloud – und hier insbesondere zu einer öffentlichen Cloud - einfach zu hoch und damit nicht akzeptabel sein. Sicherheitsbedenken, dass operative Daten von Dritten eingesehen werden können, sowie die Vorzüge einer direkten Peer-to-Peer Verbindung zwischen einzelnen Devices, führen zudem dazu, dass eine einzige zentrale Cloud nicht die Kommunikations- und Processinglasten tragen kann, die man für eine cyberphysische, vernetzte Fabrik braucht. Fog-Computing Die Einschränkungen der Cloud überwindet das Fog-Computing als komplementäre Technologie für Cloud Services. Fog-Computing führt eine Zwischenverarbeitungsschicht zwischen den Geräten und Maschinen am Edge of ‚Things‘ und der Cloud ein, was durch lokale Kapazitäten die Möglichkeiten von Clouds effektiv erweitert. Fog- Computer ermöglichen eine Analyse zur Erkenntnisgewinnung und Entscheidungsfindung, die viel näher an der Datenquelle liegt, nämlich am Edge der Maschinen und Geräte, wo die Daten generiert werden. Die erforderliche Datenverarbeitung wird so auch besser auf die einzelnen Geräte verteilt. Zudem können sich dadurch auch Geräte am Edge unmittelbar untereinander koordinieren. Die Edge-basierte Verarbeitung reduziert zudem die Zykluszeit-Latenz und minimiert den Einsatz wertvoller und teurer Netzwerkbandbreiten besonderes effizient, da nur noch kondensierte Daten beziehungsweise Metadaten in die Cloud übertragen werden müssen – zum Beispiel für die langfristige Trendanalyse. Fog-Computing sollte jedoch nicht als Ersatz für Cloud-Services betrachtet werden, da diese Ansätze sich ergänzen und beide in IIoT- Systemen notwendig sind. Die Fog-Schicht Eine Fog-Schicht besteht aus einem oder mehreren Verarbeitungsknoten, die miteinander vernetzt sind. Dies können dedizierte Fog-Plattformen oder auch multimodale IoT-Gateways sein, die Rechen-, Speicher- und Kommunikationskapazitäten am Rand des IoTbzw. Industrie-4.0-Systems bereitstellen. Um eine solche Fog-Schicht aufzubauen, kann man UDP Multicast einsetzen. Dieses Protokoll bietet eine effiziente und zuverlässige Datenverteilung bei geringer Latenz. Optional kann man auch TCP-Verbindungen nutzen, wenn UDP Unicast oder Multicast nicht möglich ist – beispielsweise zu WAN-basierten Endpunkten wie Cloud Services, TCP-fähigen Geräte und/oder zu entfernten Subsystemen. Wichtig ist jedoch, dass ein solches Fog-Netz auch eine Boundary Security für LAN-basierte Subsysteme bietet. Eine solche Sicherheit entsteht durch eine Kombination aus zertifikatsbasierter Authentifizierung zwischen Subsystemen und einzelnen Geräten (z.B. einem Mobiltelefon), einer sicheren verschlüsselten Kommunikation sowie individuellen Zugriffsregeln, welche die einzelnen Lese- und Schreib-Berechtigungen der TCP-fähigen Geräte und ihrer Subsysteme definieren. Die Edge-Konnektivität Die Edge-Konnektivität von Gateways und/oder Fog-Knoten sollte drei unterschiedliche End-to-End Anforderungen erfüllen: In Richtung Norden erfolgt die Kommunikation mit den Cloud-Services, seien sie öffentlich oder privat. In Richtung Süden geht es um ihre Verbindung zu den Edge-Geräten, Maschinen und Sensornetzwerken. Auf der Ost-West-Achse entsteht die Verbindungen zwischen den Gateways und/oder Fog-Knoten selbst, damit sie Daten direkt und ohne Cloud- Konnektivität teilen können. Beim Aufbau der Nord-Konnektivität zur Cloud ist zu berücksichtigen, dass nicht alle Daten an eine Cloud übertragen werden können. Deshalb ist ein interessensbasiertes Routing wichtig, bei dem nur bestimmte Daten übermittelt werden. Zudem ist Bandbreite teuer, auch deshalb wird eine effiziente Kommunikation benötigt. Wichtig ist auch die Sicherheit, denn die Daten sollen nur für den zugängig sein, für den sie auch gedacht sind. Bei der Kommunikation zu den Edge-Geräten in Richtung Süden ist oftmals Determinismus (Latenz & Jitter) wichtig. Die Fog-Verbindung muss fehlertolerant sein – also Failover-Redundanz- und Recovery- Funktionen bieten. Zudem muss auch die Verbindung selbst zuver- 20 PC & Industrie 8/2017

Kommunikation Vortex bietet nativen Support für die Cloud und das Fog Computing Unterstützt wird also die Datenzentrizität und nicht die Plattform-, Applikations- oder Domänenzentrizität. Genau diese Datenzentrizität ist ideal für das IIoT. Integriert ist auch der Support für eine dauerhafte Datenhaltung und die Integration von ‚Data-at-Rest‘ Technologien. Die Integrationen von Open- Source Technologien für Aggregation, Transformation und Screening ermöglicht zudem die effiziente IIoT- Implementierung von nativen, mobilen und Web-Anwendungen. Zudem unterstützt DDS auch konfigurierbare QoS für die optimale Kombination von Leistung, Determinismus, Effizienz, Robustheit, Fehlertoleranz und Wiederherstellung der verschiedenen Datenströme vom Edge in die Cloud und zwischen den Fog-Knoten. lässig sein. Devices müssen also auffindbar sein und die Verbindung muss auch so robust sein, dass sie selbst unter widrigen Bedingungen erhalten bleibt. Es ist zudem zu berücksichtigen, dass die Daten aus einer Vielzahl von Quellen mit unterschiedlichen Protokollen und Datenformaten kommen können. Sie müssen vom Gateway aber leicht aufgenommen und in ein normalisiertes Datenformat umgewandelt werden können, um letztlich mit anderen Anwendungen innerhalb des Gesamtsystems geteilt werden zu können. Die Fog-Infrastruktur muss daher entsprechend erweiterbar und anpassbar sein, um die Datenaufnahme mit verschiedensten Protokollen zu unterstützen. Edge- Geräte, deren Daten direkt an Gateways versendet werden, haben in der Regel sehr beschränkte Ressourcen und kleine Memory-Footprints. Entsprechend schlank muss auch das Kommunikationsbudget zum Edge-Gerät ausgelegt sein. Auf der Ost-West-Achse sind Latenz und Durchsatz genauso entscheidend wie die Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz. Auch die automatische Erkennung für die Bereitstellung der Verbindungen ist wichtig. Man sollte deshalb unbedingt das UDP-Multicasting nutzen, sofern es vom Netzwerk unterstützt wird. Zudem gilt auch hier: Nicht alle Daten sollen geteilt und offengelegt werden. Das interessensbasierte Routing sowie Sicherheit sind also auch hier entscheidend. Datenmanagement am Edge Neben einer angemessenen Konnektivität ist es für Gateways und Fog-Knoten auch wichtig, autonom handeln zu können. Sie müssen also Analysen durchführen und Entscheidungen treffen können. Hierfür müssen sie die Daten am Edge auch verwalten können. Die erforderlichen Datenverwaltungsfunktionen sind umfangreich und umfassen in einem ersten Schritt eine Datennormalisierung. Daten aus verschiedenen Quellen müssen in ein gemeinsames Datenmodell mit gut zu verstehender Semantik gebracht werden. Zudem sind auch oft Anpassungen und Anreicherungen erforderlich. Sodann müssen Daten durch Abfragen gefiltert werden, so dass Anwendungen und Analysen auf für sie relevante Daten effizient zugreifen können. Zu integrieren ist zudem eine Edge Analytics, denn der Grund für die Datenerfassung ist ja schließlich eine Analyse zur Erkenntnisgewinnung, die man sodann für die Entscheidungsfindung und Umsetzung nutzt. Desweitern muss man die Daten auch wiederum in verschiedene Formate umwandeln können, denn nur so gelingt letztlich die Integration in das IIoT Ökosystem. Zur Cloud ist dann noch die Aggregation von Daten oder abstrakten Metadaten erforderlich, die man dort für Cloud- Services sowie auch zur Vorbereitung lokaler Analysen nutzen kann. Eine Möglichkeit, all das umzusetzen, bietet die Vortex Plattform für Gateways und Fog-Knoten, die von der zu Adlink Technology gehörenden Firma PrismTech entwickelt wurde. Vortex ist eine Lösungsplattform für Fog-Dienste auf Basis des DDS-Standards. Sie unterstützt die Definition von stark typisierten, strukturierten, benutzerdefinierten Datenmodellen. Diese Datenmodelle erlauben die natürliche Darstellung von physischen und virtuellen Einheiten, die zusammengenommen eine Anwendungsdomäne charakterisieren. Die Einheiten des Datenaustauschs sind Datenwerte. Vortex versteht ihren Kontext und kann sicherstellen, dass interessierte Abonnenten eine konsistente Sicht auf diese Daten erhalten. Die Datenwerte werden durch die Annahme des Begriffs „Schlüssel“ in den Datenmodellen eindeutig identifiziert, die so funktionieren, wie bei relationalen Datenbankmanagementsystemen. Der datenorientierte Ansatz vereinfacht die Entwicklung und den Einsatz von Edge- Analytics und bietet zudem ein Lifecycle-Bewusstsein (z.B. erster / letzter Zustand sowie Aktivitätsindizes) für Instanzen und modellierte Dinge sowie ihre verwandten Datenflüsse. Das System kann Anwendungen über Filterung nur die Daten zugängig machen, die sie interessieren. Die Datenmodelle sind auch erweiterbar, so dass sich ein IIoT-System durch inkrementelle Updates und Upgrades entwickeln kann. Daten können zudem virtualisiert werden. Fazit Wegen der massiven Zunahme des Volumens, der Vielfalt und der Geschwindigkeit von IIoT-Daten muss eine ergänzende Fog-Schicht geschaffen werden, denn zentrale Clouds können nicht alle Aufgaben alleine bewältigen. Vortex beispielsweise bietet hierfür erweiterte Funktionen für das Datenmanagement am Edge. Besonders hervorzuheben ist die Fähigkeit, die richtigen Daten zur richtigen Zeit an den richtigen Ort zu bringen. Da die intelligente Data Sharing-Plattform sowohl Fog- als auch Cloud-Umgebungen nativ unterstützt, ist sie die ideale Lösung für alle Aufgaben am Edge in Richtung Norden, Süden, Osten und Westen. Die Vortex-Fog-Lösung ist zudem kein Stand-Alone System für Fog-Server oder Gateways. Es ist vielmehr nur ein Building Block des noch umfassenderen Vortex Intelligent Data Sharing Platform Frame works, das auch noch weiter in Richtung Süden zu den Devices wie auch in Richtung Norden zur Cloud angewandt werden kann. Verwendet man die Vortex Fog Lösung also zusammen mit anderen Vortex-Plattform-Technologien, können ubiquitäre End-to-End-Lösungen für IIoT-Systeme entstehen – einschließlich einer standardbasierten, einheitlichen Fog-zu-Cloud- Konnektivität. • AdLINK Technology (Europe) GmbH www.adlinktech.com PC & Industrie 8/2017 21

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel