Typische IIoT-Systeme erfordern die gemeinsame Nutzung von Daten über mehrere Geräte und Netzwerke hinweg, vom Edge über den Fog bis zur Cloud. Dies ist eine Herausforderung, da das große Datenvolumen – ganz zu schweigen von den strengen Sicherheitsanforderungen – ein Netzwerk leicht überfordern kann. Diese Herausforderungen erfordern neue Wege, um erhöhtes Datenvolumen, Leistungsanforderungen, Sicherheitsrisiken und Sicherheitszertifizierungen zu verwalten. Eine der wichtigsten Änderungen ist der Datenbus und seine einzigartige Fähigkeit, den IIoT-Datenfluss zu verwalten.
Datenbusdefinition
Ein Datenbus ist ein datenzentriertes Software-Framework zur Verteilung und Verwaltung von Echtzeitdaten im IIoT. Es ermöglicht Anwendungen und Geräten, als ein integriertes System zusammenzuarbeiten.
Der Datenbus vereinfacht die Anwendungs- und Integrationslogik mit einem leistungsstarken datenzentrierten Paradigma. Anstatt Nachrichten auszutauschen, kommunizieren Softwarekomponenten über gemeinsam genutzte Datenobjekte. Anwendungen lesen und schreiben direkt den Wert dieser Objekte, die in jedem Teilnehmer zwischengespeichert werden.
Wesentliche Merkmale eines Datenbusses sind:
- Die Teilnehmer / Anwendungen verbinden sich direkt mit den Daten
- Die Infrastruktur versteht und kann daher die Daten selektiv filtern
- Die Infrastruktur legt Regeln und Garantien für Quality of Service (QoS) -Parameter wie Rate, Zuverlässigkeit und Sicherheit des Datenflusses fest
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Unterschied zwischen Datenbank und Datenbus
Der Datenbus stellt Daten in Bewegung bereit, während eine Datenbank ruhende Daten bereitstellt.
Eine Datenbank implementiert datenzentrierten Speicher. Es speichert alte Informationen, die Sie später anhand der Eigenschaften der gespeicherten Daten durchsuchen können.
Ein Datenbus implementiert eine datenzentrierte Interaktion. Es verwaltet zukünftige Informationen, indem Sie nach Eigenschaften der eingehenden Daten filtern können. Data Centricity kann durch diese Eigenschaften definiert werden:
- Die Schnittstelle sind die Daten. Es gibt keine künstlichen Wrapper oder Blocker für Schnittstellen wie Nachrichten, Objekte, Dateien oder Zugriffsmuster.
- Die Infrastruktur versteht diese Daten. Dies ermöglicht Filterung / Suche, Werkzeuge und Selektivität. Es entkoppelt Anwendungen von den Daten und beseitigt dadurch einen Großteil der Komplexität der Anwendungen.
- Das System verwaltet die Daten und legt Regeln fest, wie Anwendungen Daten austauschen. Dies liefert einen Begriff von „Wahrheit“. Es ermöglicht Datenlebensdauern, Datenmodellabgleich, CRUD-Schnittstellen usw.
Es ist wichtig zu beachten, dass ein Datenbus nicht nur eine Datenbank ist, mit der Sie über eine Pub-Sub-Schnittstelle interagieren. Es gibt keine Datenbank. Eine Datenbank impliziert Speicher: Die Daten befinden sich physisch irgendwo. Ein Datenbus implementiert ein rein virtuelles Konzept, das als „globaler Datenraum“ bezeichnet wird und Daten in Bewegung impliziert.
Warum einen Datenbus implementieren?
Sowohl Datenbank- als auch Datenbustechnologien ersetzen die Interaktion zwischen Anwendung und Anwendung durch die Interaktion zwischen Anwendung und Daten. Diese Änderung ist absolut kritisch. Es entkoppelt Anwendungen und erleichtert die Skalierung, Interoperabilität und Systemintegration erheblich, was für IIoT-Systeme von entscheidender Bedeutung ist. Der Unterschied ist wirklich einer der alten Daten, die in einer (wahrscheinlich zentralisierten) Datenbank gespeichert sind, gegenüber zukünftigen Daten, die direkt von einem verteilten Datenbus an die Anwendungen gesendet werden.
Was ist ein mehrschichtiger Datenbus?
Das Industrial Internet Consortium (IIC) Industrial Internet Reference Architecture (IIRA) ist eine standardbasierte Architekturrichtlinie für Entwickler, die beim Entwurf von IIoT-Systemen auf der Grundlage eines gemeinsamen Frameworks verwendet werden kann. Die IIRA empfiehlt ein neues Architekturmuster für IIoT-Systeme, das als „Layered Databus“ -Muster bezeichnet wird.
In IIoT-Systemen entsteht ein gemeinsames Architekturmuster, das aus mehreren Datenbussen besteht, die nach Kommunikations-QoS und Datenmodellanforderungen geschichtet sind. In der Regel werden Datenbusse am Rand in den intelligenten Maschinen oder untersten Subsystemen implementiert, z. B. in einem Auto, einer Bohrinsel oder einem Krankenhauszimmer. Darüber befinden sich ein oder mehrere Datenbusse, die diese intelligenten Maschinen oder Subsysteme integrieren und die Datenkommunikation zwischen und mit den übergeordneten Leitstellen- oder Backend-Systemen erleichtern. Die Backend- oder Control Center-Ebene kann der Datenbus mit der höchsten Ebene im System sein, es können jedoch mehr als diese drei Ebenen vorhanden sein.
Typische IIoT-Systeme erfordern die gemeinsame Nutzung von Daten über mehrere Netzwerke wie dieses, vom Edge über den Nebel bis zur Cloud. In einem vernetzten Krankenhaus müssen Geräte beispielsweise innerhalb eines Patienten oder Operationssaals, mit Schwesternstationen und externen Monitoren, mit Echtzeitanalyseanwendungen für intelligente Alarmierung und klinische Entscheidungsunterstützung sowie mit IT-Gesundheitsakten kommunizieren. Dies ist aus mehreren Gründen eine Herausforderung. Patientendaten müssen sicher nachverfolgt werden, auch wenn sich Patienten und Geräte zwischen Räumen und Netzwerken bewegen, und darüber hinaus müssen Geräte und Anwendungen zusammenarbeiten, selbst wenn sie von verschiedenen Herstellern entwickelt wurden. Eine mehrschichtige Datenbusarchitektur ist der ideale Rahmen, um diese Herausforderungen zu lösen und mehrstufige IIoT-Systeme von Systemen zu entwickeln.
Blueprint für das industrielle Internet V1.8
Vorteile eines mehrschichtigen Datenbus
Die Vorteile der Implementierung einer mehrschichtigen Datenbusarchitektur umfassen:
- Schnelle Gerät-zu-Gerät-Integration – mit Lieferzeiten in Millisekunden oder Mikrosekunden
- Automatische Daten- und Anwendungserkennung – mit und zwischen Datenbussen
- Skalierbare Integration – ohne Kompromisse bei Hunderttausenden von Maschinen, Sensoren und Aktoren
- Natürliche Redundanz – ermöglicht extreme Verfügbarkeit und Ausfallsicherheit
- Hierarchische Subsystemisolierung – ermöglicht komplexen Systemdesigns
Der Connext-Datenbus: ein leistungsfähiges datenzentriertes Paradigma
RTI Connext DDS verfügt über einen Datenbus, mit dem Anwendungen Daten über eine Peer-to-Peer-Kommunikationsmethode mit Publish-Subscribe austauschen können. DDS-Anwendungen sind nicht auf einen zentralen Broker angewiesen, sondern entdecken sich gegenseitig über den Datenbus und treten der DDS-Domäne jederzeit bei oder verlassen sie. Dieses Framework eliminiert einen Single Point of Failure oder Engpass im Netzwerk. Connext DDS kümmert sich um die Details der Datenverteilung, Synchronisation und Verwaltung, einschließlich Serialisierung und Lifecycle Management. Seine Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistung und Skalierbarkeit haben sich in den anspruchsvollsten Industriesystemen bewährt.