Conectividade de dados na arquitetura de referência da Internet industrial

Hoje, o Industrial Internet Consortium (IIC) lançou a Arquitetura de Referência da Internet Industrial (IIRA). A CII é o maior consórcio da Internet das Coisas (IoT), com mais de 170 membros (iiconsortium.org). Mais importante ainda, é o único focado em sistemas industriais. O primeiro lançamento público do IIRA é uma visão geral formal da arquitetura de sistemas de uma perspectiva de alto nível. Ele cobre tudo, desde objetivos de negócios até a interoperabilidade do sistema. A arquitetura estabelece muitas diretrizes técnicas importantes. De forma crítica, também elimina muitas abordagens; uma arquitetura envolve tanto o que você não pode fazer quanto o que você pode fazer.

Nós, da Real-Time Innovations (RTI), estamos mais entusiasmados com um aspecto-chave:a arquitetura de conectividade IIRA. “Conectividade”, ou como as coisas se comunicam, é um dos maiores desafios para a emergente Internet das Coisas Industrial (IIoT). O IIRA adota uma abordagem inovadora e distribuída de “barramento de dados” que facilita a interoperabilidade ao mesmo tempo que fornece desempenho, confiabilidade e segurança superiores.

O poder da arquitetura comum

Em última análise, a IIoT trata da construção de sistemas distribuídos. Conectar todas as partes de forma inteligente para que o sistema possa executar, escalar, evoluir e funcionar de maneira ideal é o ponto crucial do IIRA.

Para habilitar a IIoT, precisamos desenvolver um comum arquitetura que pode abranger a capacidade de computação, interoperar entre fornecedores e conectar indústrias. Com o tempo, as tecnologias comuns que abrangem os setores sempre substituem os sistemas personalizados. No entanto, a adoção incremental e a adaptação da tecnologia atual também são cruciais. A IIoT deve, portanto, integrar muitos padrões e tecnologias de conectividade. A arquitetura da IIC combina explicitamente as várias tecnologias de conectividade em um futuro interconectado que pode permitir a visão abrangente de um novo mundo extremamente conectado.

Este é o problema de “interoperabilidade”, e é realmente a especialidade da RTI. A RTI participa de 15 esforços de consórcios e padrões diferentes. Eles abrangem muitos setores:sistemas navais, aviônicos, energia, dispositivos médicos, veículos não tripulados, eletrônicos de consumo, controle industrial e transmissão de televisão, para citar apenas alguns. Todos se concentram em como fazer os sistemas funcionarem juntos. A CII baseia-se na experiência dessas indústrias e muito mais.

O desafio da integração

Quando você conecta muitos sistemas diferentes, o problema fundamental é a questão da interconexão “N ao quadrado”. Conectar dois sistemas requer a correspondência de muitos aspectos, incluindo protocolo, modelo de dados, padrão de comunicação e parâmetros de qualidade de serviço (QoS), como confiabilidade, taxa de dados ou prazos. Embora conectar dois sistemas seja um desafio, pode ser resolvido com uma “ponte” de propósito especial. Mas não escala; conectando N sistemas juntos requerem N - pontes quadradas. Como N fica grande, isso se torna assustador.

Uma maneira de amenizar esse problema é manter N pequeno. Você pode fazer isso ditando todos os padrões e tecnologias em todos os sistemas que interoperam. Muitos órgãos de padronização específicos do setor seguem esse caminho com sucesso. Por exemplo, a European Generic Vehicle Architecture (GVA) especifica todos os aspectos de como construir veículos militares terrestres, de conectores de baixo nível a modelos de dados de alto nível. O esforço da German Industrie 4.0 leva um passo semelhante na indústria de manufatura, fazendo escolhas para pedidos e entrega, projeto de fábrica, tecnologia e planejamento de produto. Apenas um padrão por tarefa é permitido.

Essa abordagem facilita a interoperação. Infelizmente, o resultado é limitado em escopo porque os padrões rigidamente escolhidos não podem fornecer todas as funções e recursos. Existem simplesmente muitos requisitos especiais para cruzar os setores de forma eficaz. Os padrões de ditado também não abordam o problema de integração do legado. Essas duas restrições (escopo e limites legados) tornam essa abordagem inadequada para a construção de uma Internet industrial abrangente e entre setores.

Na outra extremidade do espectro, você pode construir um ponto de ponte muito geral. Os serviços web corporativos funcionam dessa forma, usando um “Enterprise Service Bus” (ESB) como o Apache Camel. No entanto, apesar do “barramento” em seu nome, um ESB não é um conceito distribuído. Todos os sistemas devem se conectar a um único ponto, onde cada padrão de entrada é mapeado para um formato de objeto comum. Como tudo mapeia para um formato, o ESB requer apenas tradução “unilateral”, evitando o N problema -quared. O Camel, por exemplo, suporta centenas de adaptadores, cada um convertendo um protocolo ou fonte de dados.

Infelizmente, isso não funciona bem para sistemas industriais exigentes. O serviço ESB único é um ponto óbvio de obstrução e falha. ESBs são programas grandes e lentos. Na empresa, os ESBs conectam sistemas de grande granularidade, executando apenas algumas transações por segundo. As aplicações industriais precisam de serviços muito mais rápidos, confiáveis ​​e de menor granularidade. Portanto, os ESBs não são viáveis ​​para a maioria dos usos da IIoT.

O Padrão Principal de Conectividade IIRA

O IIRA tem uma abordagem intermediária. O design introduz o conceito de "Padrão Básico de Conectividade". Ao contrário de um ESB, o padrão central é muito mais um conceito distribuído. Alguns terminais podem se conectar diretamente ao padrão principal. Outros terminais e subsistemas se conectam por meio de “gateways”. O padrão central então os conecta todos juntos. Isso permite vários protocolos sem ter que fazer uma ponte entre todos os pares possíveis. Cada um precisa de apenas uma ponte para o núcleo.

Como um ESB, isso resolve o N problema -quared. Mas, ao contrário de um ESB, ele fornece um núcleo rápido e distribuído, substituindo o modelo de serviço centralizado. As tecnologias de conectividade legadas e menos capazes se transformam por meio de um gateway para o padrão central. Existem apenas N transformações, onde N é o número de padrões de conectividade.

Obviamente, este projeto requer um padrão de conectividade central muito funcional. Alguns sistemas podem funcionar com núcleos lentos ou simples. Porém, a maioria dos sistemas industriais precisa identificar, descrever, encontrar e comunicar muitos dados com demandas não vistas em outros contextos. Muitos aplicativos precisam de entrega em microssegundos ou a capacidade de escalar para milhares ou até milhões de valores de dados e nós. As consequências de uma falha de confiabilidade podem ser graves. Uma vez que o padrão básico é realmente o núcleo do sistema, ele deve funcionar.

O IIRA especifica as principais funções que a estrutura de conectividade e seu padrão central devem fornecer:descoberta de dados, padrões de troca e “qualidade de serviço” (QoS). Os parâmetros de QoS incluem funções de confiabilidade de entrega, pedidos, durabilidade, vida útil e tolerância a falhas. Com esses recursos, a conectividade central pode implementar o transporte confiável, de alta velocidade e seguro exigido por aplicativos exigentes em todos os setores.

A segurança também é crítica. Para fazer a segurança funcionar corretamente, ela deve estar intimamente ligada à arquitetura. Por exemplo, o padrão "central" pode oferecer suporte a vários padrões e recursos de entrega. O design de segurança deve corresponder exatamente a esses. Por exemplo, se a conectividade oferece suporte para publicação / assinatura, a segurança também deve ser. Se o núcleo suporta multicast, a segurança também deve. Se o núcleo suporta descoberta plug-n-play dinâmica, a segurança também deve. A segurança que está intimamente ligada à arquitetura pode ser imposta a qualquer momento, sem alterar o código. A segurança torna-se apenas mais uma qualidade de serviço controlada, embora com configuração mais complexa. Este é um conceito muito poderoso.

A segurança integrada deve se estender além do núcleo. O IIRA permite isso também; todas as outras tecnologias de conectividade podem ser protegidas nos gateways.

DDS como um padrão central

O IIRA não especifica padrões; a CII dará esse passo na próxima versão. No entanto, está claro que o padrão DDS (Serviço de Distribuição de Dados) se encaixa perfeitamente no IIRA. O DDS fornece descoberta automatizada, cada um dos padrões especificados no IIRA, todas as configurações de QoS e segurança intimamente integrada.

Isso não é por acaso. O projeto de conectividade IIRA baseia-se fortemente na experiência da indústria com DDS. O DDS tem milhares de aplicações de sucesso em sistemas de energia (grandes barragens hidrelétricas, parques eólicos, microrredes), medicina (imagens, monitoramento de pa

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