Frameworks Das steckt hinter dem IIoT-Framework Connext DDS

Autor / Redakteur: Dr. Stan Schneider, Reiner Duwe * / Franz Graser

Es definiert Konnektivität für das industrielle Internet der Dinge neu: Das Software-Framework Connext DDS, das auf dem Data-Distribution-Service-Standard basiert. RTI bietet einen Blick hinter die Kulissen.

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(Bild: RTI)

Die treibende Kraft hinter dem Ausbau des Internets war die Intention, Menschen überall und jederzeit miteinander zu vernetzen. Damit fand eine Revolution in der zwischenmenschlichen Kommunikation, unseren Handlungen und der Art unserer Zusammenarbeit statt. Dank ständiger Weiterentwicklung kann das Internet mittlerweile Millionen von Geräten miteinander verbinden, darunter auch die vielfältigen Komponenten einsatzkritischer, stark verteilter Systeme.

Die unter dem Stichwort „Machine-to-Machine“ (M2M) bekannte Revolution hat wesentlich strengere Konnektivitätsanforderungen an das industrielle Internet der Dinge (IIoT) gestellt. Der Data Distribution Service (DDS), ein offener Standard unter der Leitung der Object Management Group, wurde eigens zur Erfüllung dieser Anforderungen eingeführt. Inzwischen haben DDS-Implementierungen die Messlatte für die Echtzeit-Konnektivität in globalen Netzwerken höher gelegt.

Im Folgenden bekommen Echtzeit-Entwickler und Systemarchitekten aufgezeigt, wie komplexe, stark verteilte Systeme mit DDS entscheidende neue Fähigkeiten erlangen und von erhöhter Konnektivität profitieren können.

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Für welche Systemanforderungen eignet sich DDS?

Eine Umfrage unter Systemdesignern und -architekten, die bereits mit RTI Connext DDS arbeiten, unterstreicht die vom DDS-Standard fokussierten Anforderungen. Auf die Frage, weshalb sie DDS verwenden, führte die überwiegende Mehrheit in ihren Antworten mindestens drei der folgenden Anforderungen auf:

  • Echtzeit-Leistung: Systeme müssen in der Lage sein, in wenigen Millisekunden oder gar Mikrosekunden auf kritische Impulse zu reagieren.
  • Zuverlässigkeit: Systemen drohen ernste Konsequenzen bei Ausfallzeiten, die mehr als ein paar Sekunden oder nur Bruchteile von Sekunden (etwa 5 ms) andauern.
  • Skalierbarkeit: Zehn oder mehr Applikationen, Subsysteme oder Teams müssen ständig vernetzt sein.
  • Unterstützung umfangreicher Datensätze: Das System nutzt zwischen 1000 und 100.000 Datenpunkten.
  • Dezentrale Architektur: Das System zielt auf das IIoT der nächsten Generation ab.

Während viele Konnektivitäts-Protokolle nur eine oder zwei der oben genannten Kriterien erfüllen, ist DDS die einzige Lösung, die alle fünf Anforderungen erfüllt.

Das Konnektivitäts-Framework Connext DDS ermöglicht Entwicklern und Systemarchitekten auf existierenden Netzwerken die Einführung eines einfachen, datenzentrierten Konnektivitätsmodells nach dem Publish-Subscribe-Prinzip. Es stellt allen Systemkomponenten latenzarme Verbindungen ebenso wie eine hohe Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit zur Verfügung, wie sie von heutigen komplexen Systemen und Netzwerken verlangt werden. Sowohl Design- als auch Integrationszeit verkürzt die elegante DDS-Konnektivitätsarchitektur und so hat sich DDS bereits in den verschiedensten Märkten und Anwendungen bewährt.

Einfachere Integration, latenzarme Verbindungen

Connext DDS befreit die Applikationsschicht von einem Großteil der Komplexität der Kommunikation. Dazu gehören das Format der Datenleitung, die Geräteerkennung, Aufbau und Verwaltung von Verbindungen, die Sicherstellung der Zuverlässigkeit, die intelligente Overhead-Minimierung, die Unterstützung zahlreicher Protokolle sowie die Einrichtung des gewünschten QoS-Levels (Quality of Service). Die gesamte Logik des Datenmanagements und der Datenverteilung sitzt in der dezentralisierten Middleware-Schicht und schafft eine einheitliche, systemübergreifende Quelle von Zustandsinformationen, die völlig unabhängig von den Applikationsmodulen arbeitet.

Neben den Vorteilen, die sich aus der Entkopplung von Applikationen und Systemmodulen ergeben, wie etwa ein geringerer Codeumfang der Applikationen oder ein einfaches Hinzufügen neuer Geräte, schirmt die DDS-Konnektivität zudem die Applikationsschicht vollständig von den zugrundeliegenden, hochdynamischen und komplexen Netzwerk-Transporten und -Protokollen ab. So bietet RTI eine Protokoll-Schnittstelle als Plug-In an, die vielfältige Möglichkeiten für die flexible Verbindung mit kundenspezifischen Protokollen oder Netzwerkschnittstellen bereithält. (Schaubild 1)

Im IIoT geht es bei Konnektivität um das effiziente Teilen und Organisieren von explosionsartig zunehmenden Datenmengen von Sensoren und anderen Geräten. DDS ist auf einzigartige Weise datenzentriert: Die gesamte Kommunikation erfolgt „peer-to-peer“ und ohne, dass ein Vermitteln der Daten durch einen Server oder eine Cloud erforderlich ist (Schaubild 2).

Stattdessen richtet die Software virtuelle, globale Datenräume ein, in denen autorisierte Daten-Publisher (Schreiber) und -Subscriber (Leser) Tausende von Dateneinheiten in einem quasi lokalen Speicher teilen können. Daten organisiert DDS nach Topics, und jedes Topic kann einzeln für die jeweils benötigte QoS konfiguriert werden. Auf diese Weise gelingt die optimale Verwaltung von dynamischen Daten sowie das Teilen zwischen Embedded-, mobilen, Fog- und Cloud-Applikationen für beliebigen Transportlayer – und das mit sehr geringer Latenz.

Außerdem unterstützt DDS die automatische Erkennung von Publishern und Subscribern. Das vereinfacht die Erweiterung und Verwaltung von Systemen, indem einfach neue Geräte und Applikationen angeschlossen werden können. Die Erkennung von Geräten und Applikationen während der Laufzeit für echtes Plug-and-Play erfolgt automatisch. Auch Datentyp-Erweiterungen während der Laufzeit unterstützt die Software. Zudem kann sie QoS-Einstellungen während der Laufzeit erkennen und verwalten.

Dieser datenzentrierte Ansatz unterscheidet sich grundlegend von Messaging-Protokollen auf niedrigerem Level, wie MQTT, CoAP und AMQP, bei denen Programmierer den Code zum Kontrollieren des Nachrichtenflusses sowie zum Verwalten der Daten vor dem Senden und nach dem Empfangen schreiben müssen. Stattdessen richtet der datenzentrierte Ansatz von DDS eine kontrollierte, gemanagte und sichere Daten-Domain ein. Die Entwickler konfigurieren lediglich, wie und wann die Daten geteilt werden. DDS übernimmt daraufhin die direkte Implementierung und Optimierung des Data-Sharings zur Laufzeit.

Flexible Quality of Service für höhere Sicherheit

Leistungsfähige und konfigurierbare QoS-Fähigkeiten ermöglichen es dem DDS Data Sharing, die Zuverlässigkeit, einen einwandfreien Systemzustand und die Sicherheit zu erhöhen. Zur Optimierung der Performance über eine weite Auswahl von Netzwerk-Technologien, die von unzuverlässigen Verbindungen mit geringer Bandbreite bis zu latenzarmen High-Speed-Interconnects reichen, bietet die QoS-Implementierung von RTI Folgendes:

  • Intelligente Übertragungen: Es werden nur die vom jeweiligen Endpunkt benö-tigten Daten übertragen.
  • Konfigurierbare Zuverlässigkeitsparameter: Berücksichtigung von Daten mit hoher Priorität ebenso wie von langsamen, unzuverlässigen Verbindungen.
  • Automatisches Änderungsmanagement – einschließlich der Benachrichtigung betroffener Beteiligter über Änderungen.
  • Filter-Algorithmen: Optimierung der Übertragung und breiten Verteilung umfangreicher Datensätze.
  • Multicasting: Beschleunigung von Updates für mehrere Endpunkte.
  • Versionsmanagement einschließlich automatischer Datenkonvertierung für verschiedene Teile des Systems.
  • Zahlreiche Sicherheits-Features: Kontrollierter Zugriff, Vorgabe von Datenlaufwegen und fliegende Verschlüsselung sensibler Daten.

Wegen seiner QoS-Unterstützung deckt DDS als einziger Konnektivitätsstandard das gesamte IIoT ab – vom Anschluss der Geräte im Feld bis hin zum Sammeln der Daten in der Cloud. Die Alternative wäre die Verwendung verschiedener Speziallösungen mit all der zusätzlichen Komplexität des Abstimmens und Integrierens verschiedener Technologien.

Inhärente Skalierbarkeit und Anpassungsfähigkeit

Das derzeitige Einsatzspektrum von RTI Connext DDS erfüllt die Konnektivitäts-Anforderungen kleiner Geräte, Cloud-Architekturen, Fog-Computing und auch sehr großer Systeme (Schaubild 3). Das Teilen großer Datenmengen erstreckt sich grundsätzlich über verschiedene Endpunkte und Netzwerke und stellt Tausenden oder gar Millionen von Teilnehmern vorhersagbare Performanz zur Verfügung. Zugestellt werden die Daten mit vorhersagbaren, extrem hohen Geschwindigkeiten – sogar in Systemen, die Tausende von Datenpunkten verwalten.

Was bietet Connext DDS Professional?

Die Lösung, die heute an erster Stelle für das kontrollierte, gemanagte und sichere Teilen von Daten über ein breites Spektrum von Internet-Transporten und vertikalen Märkten steht, ist das RTI Connext DDS Connectivity Framework. Es wird von mehr als tausend Systemdesigns und über 350 Projekten im Universitäts- und Forschungsbereich genutzt.

Als eine treibende Kraft bei der Weiterentwicklung des DDS-Industriestandards in der Object Management Group konnte RTI eine Lösung bereitstellen, die durch die Förderung von Interoperabilität und offenen Architekturen zu einer deutlichen Senkung der Lebenszykluskosten von Systemen führt. Mehr als 70 Plattformen und alle führenden Betriebssysteme unterstützt Connext DDS. Es umfasst:

  • Konnektivitäts-Bibliotheken zur einfacheren Entwicklung dezentraler Applikationen mit übergeordneten APIs für Publish-Subscribe-, Request-Reply- und Point-to-Point-Queues.
  • Ein individuell gestaltbares Interface Adapter Framework, das die Integration von Geräten und bestehenden Applikationen vereinfacht (ohne dass ein Modifizieren des Applikations-Codes erforderlich ist).
  • Applikationsspezifische Codebeispiele.
  • Entwickler-Tools für Integration, Test und Debugging.

Dieser Beitrag ist bei unserem PartnerportalELEKTRONIKPRAXIS erschienen.

* Dr. Stan Schneider ist CEO von Real-Time Innovations (RTI).

* Reiner Duwe ist Sales Manager EMEA bei RTI.

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