工业互联网参考架构中的数据连接

今天，工业互联网联盟（IIC）发布了工业互联网参考架构（IIRA）。 IIC 是最大的物联网 (IoT) 联盟，拥有 170 多个成员 (iiconsortium.org)。更重要的是，它是唯一一款专注于工业系统的产品。 IIRA 的第一个公开版本是从高层次的角度对系统架构的正式概述。它涵盖了从业务目标到系统互操作性的所有内容。该架构建立了许多关键的技术指南。至关重要的是，它还消除了许多方法；一个架构是关于你不能做什么和你能做什么。

我们 Real-Time Innovations (RTI) 对一个关键方面感到最兴奋：IIRA 连接架构。 “连接性”，即事物的通信方式，是新兴工业物联网 (IIoT) 面临的最大挑战之一。 IIRA 采用创新的分布式“数据总线”方法，可简化互操作性，同时提供一流的性能、可靠性和安全性。

通用架构的力量

归根结底，IIoT 是关于构建分布式系统。智能连接所有部分，使系统能够以最佳方式执行、扩展、发展和运行是 IIRA 的关键。

为了启用 IIoT，我们需要开发一个通用 可以跨越计算能力、跨供应商互操作和桥梁行业的架构。随着时间的推移，跨行业的通用技术总是会取代定制系统。然而，逐步采用和适应当前技术也至关重要。因此，IIoT 必须集成许多标准和连接技术。 IIC 架构明确地将各种连接技术融合到一个相互关联的未来中，从而实现一个广泛连接的新世界的广阔愿景。

这就是“互操作性”问题，这确实是 RTI 的专长。 RTI 参与了 15 个不同的标准和联盟工作。它们跨越许多行业：海军系统、航空电子设备、电力、医疗设备、无人驾驶车辆、消费电子产品、工业控制和广播电视，仅举几例。所有人都专注于如何让系统协同工作。 IIC 借鉴了这些行业以及更多行业的经验。

集成挑战

当您连接许多不同的系统时，根本问题是“N 平方”互连问题。连接两个系统需要匹配许多方面，包括协议、数据模型、通信模式和服务质量 (QoS) 参数，如可靠性、数据速率或定时期限。虽然连接两个系统是一项挑战，但可以通过专用“桥”解决。但它没有规模；连接N 系统一起需要N - 方桥。作为 N 变大，这变得令人生畏。

缓解这个问题的一种方法是保持 N 小。您可以通过在所有互操作的系统中规定所有标准和技术来做到这一点。许多特定于行业的标准机构成功地走上了这条道路。例如，欧洲通用车辆架构 (GVA) 指定了如何构建军用地面车辆的各个方面，从低级连接器到顶级数据模型。德国工业 4.0 努力在制造业中采用了类似的方法，在订购和交付、工厂设计、技术和产品规划方面做出选择。每个任务只允许一个标准。

这种方法简化了互操作。不幸的是，结果的范围有限，因为严格选择的标准无法提供所有功能和特性。要以这种方式有效地跨行业，有太多的特殊要求。口述标准也没有解决遗留集成问题。这两个限制（范围和遗留限制）使这种方法不适合构建范围广泛的跨行业工业互联网。

另一方面，您可以构建一个非常通用的桥接点。企业 Web 服务以这种方式工作，使用“企业服务总线”（ESB），如 Apache Camel。然而，尽管名称中有“总线”，但 ESB 并不是分布式概念。所有系统都必须连接到一个点，其中每个传入的标准都映射到一个通用的对象格式。因为一切都映射到一种格式，所以 ESB 只需要“单向”转换，避免 N -平方问题。例如，Camel 支持数百个适配器，每个适配器都转换一种协议或数据源。

不幸的是，这对于要求苛刻的工业系统来说效果不佳。单一的 ESB 服务是一个明显的瓶颈和故障点。 ESB 是大而慢的程序。在企业中，ESB 连接每秒仅执行少量事务的大粒度系统。工业应用需要更快、更可靠、更小粒度的服务。因此，ESB 不适用于大多数 IIoT 用途。

IIRA 连接核心标准

IIRA 采取中间方法。该设计引入了“连接核心标准”的概念。与 ESB 不同，核心标准在很大程度上是一个分布式概念。一些端点可以直接连接到核心标准。其他端点和子系统通过“网关”连接。然后核心标准将它们连接在一起。这允许多个协议而不必在所有可能的对之间进行桥接。每个都只需要一个通往核心的桥梁。

像 ESB 一样，这解决了 N -平方问题。但是，与 ESB 不同的是，它提供了一个快速的分布式核心，取代了集中式服务模型。传统的和功能较弱的连接技术通过通往核心标准的网关转变。只有N 转换，其中 N 是连接标准的数量。

显然，这种设计需要一个非常实用的核心连接标准。某些系统可能会使用慢速或简单的内核。但是，大多数工业系统需要识别、描述、查找和交流大量数据，这些数据在其他环境中是看不到的。许多应用程序需要在微秒内交付或扩展到数千甚至数百万个数据值和节点的能力。可靠性故障的后果可能很严重。既然核心标准确实是系统的核心，就必须执行。

IIRA 指定了连接框架及其核心标准应提供的关键功能：数据发现、交换模式和“服务质量”（QoS）。 QoS 参数包括交付可靠性、排序、持久性、寿命和容错功能。凭借这些功能，核心连接可以实现跨行业要求严苛的应用所需的可靠、高速、安全的传输。

安全性也很重要。为了使安全性正常工作，它必须与架构紧密结合。例如，“核心”标准可以支持各种模式和交付能力。安全设计必须与这些完全匹配。例如，如果连接支持发布/订阅，那么安全性也必须如此。如果核心支持多播，那么安全性也必须如此。如果核心支持动态即插即用发现，那么安全性也必须如此。可以在不更改代码的情况下随时实施与架构密切相关的安全性。尽管配置更加复杂，但安全只是另一种受控的服务质量。这是一个非常强大的概念。

集成安全必须扩展到核心之外。 IIRA 也允许这样做；所有其他连接技术都可以在网关上得到保护。

DDS 作为核心标准

IIRA 没有规定标准； IIC 将在下一个版本中采取这一步骤。但是，很明显 DDS（数据分发服务）标准非常适合 IIRA。 DDS 提供自动发现、IIRA 中指定的每种模式、所有 QoS 设置以及紧密集成的安全性。

这绝非偶然。 IIRA 连接设计在很大程度上借鉴了 DDS 的行业经验。 DDS 在电力系统（大型水电大坝、风电场、微电网）、医学（成像、病人监护、紧急医疗系统）、交通（空中交通控制、车辆控制、汽车测试）、工业控制（SCADA、采矿系统、PLC 通信）和国防（船舶、航空电子设备、自动驾驶汽车）。从这些应用中汲取的经验教训有助于 IIRA 的设计。

谢谢！

最后，我要感谢建立 IIRA 的团队。这是许多公司支持的一项巨大努力。 RTI 参与最多的是架构、连接性和分布式数据和互操作性团队。谢谢大家，祝贺你们的第一个版本。