So sánh các giao thức IIoT

Bài viết này các bạn hãy cùng Smart Factory VN điểm qua những giao thức IIoT (IIoT Protocol) thông dụng nhé.

IIoT – Internet vạn vật công nghiệp là gì ?

Điều gì tạo nên một giao thức IIoT lý tưởng?

Giao thức IIoT tốt là cơ sở để giao tiếp dữ liệu IIoT hiệu quả. Nếu không có giao thức IIoT an toàn, mạnh mẽ, dữ liệu có thể bị trễ, bị thiếu, không nhất quán hoặc không chính xác một cách nguy hiểm, dẫn đến các lỗi tốn kém và lãng phí thời gian.

Với IIoT vẫn còn trong giai đoạn sơ khai, các công ty đã chuyển sang sử dụng các giao thức nhắn tin và giao tiếp dữ liệu quen thuộc, đã được thử nghiệm tốt như MQTT, AMQP, REST và OPC UA cho giao thức IIoT. Chúng có hiệu quả vì chúng có thể dành cho các mục đích được thiết kế của chúng, chúng không bao giờ nhằm hỗ trợ giao tiếp dữ liệu IIoT. Do đó, khi được đánh giá theo các tiêu chí về việc triển khai IoT công nghiệp mạnh mẽ, an toàn, tất cả chúng đều có phần hơi ngắn.

Phần mềm và dịch vụ của Smart Industry được thiết kế cho IIoT và đáp ứng tất cả các tiêu chí về truyền thông dữ liệu hiệu quả. Ở đây, chúng tôi cung cấp báo cáo so sánh về mức độ đáp ứng của giao thức IIoT lý tưởng cho MQTT, AMQP, REST, OPC UA và Smart Industry của chính DHTP (Edge platform Transfer Protocol). Mỗi tiêu chí được liệt kê ở trên sẽ được giải thích chi tiết hơn trong các phần tiếp theo.

Giữ tất cả các Firewall Gateway gửi đến đóng cho cả nguồn dữ liệu và người dùng dữ liệu.

Giữ tất cả các Firewall Gateway gửi đến đóng tại nhà máy giải quyết nhiều vấn đề bảo mật cho IoT công nghiệp. MQTT, AMQP, REST và DHTP đáp ứng tiêu chí này. OPC UA thì không vì nó có kiến ​​trúc máy khách / máy chủ, vốn yêu cầu ít nhất một Firewall Gateway được mở ở phía máy chủ (thường là nhà máy) để cho phép các kết nối máy khách đến. Đây là rủi ro không thể chấp nhận được đối với hầu hết các hệ thống công nghiệp.

Edge platform và Data Hub của Smart Industry kết nối cục bộ với các máy chủ và máy khách trong nhà máy, đồng thời thực hiện các kết nối gửi đi qua DHTP tới Data Hub đang chạy trên máy chủ đám mây hoặc tới một Edge platform khác chạy trên máy tính DMZ. Kết nối ra ngoài này giữ cho tất cả các Firewall Gateway gửi đến luôn đóng và ẩn nhà máy với thế giới bên ngoài.

Tiêu thụ băng thông tối thiểu, trong khi vẫn hoạt động với độ trễ thấp nhất có thể.

Một mục tiêu của bất kỳ giao thức truyền thông công nghiệp hoặc giao thức IIoT là tiêu thụ ít băng thông nhất có thể và hoạt động với độ trễ thấp nhất có thể. MQTT và AMQP làm tốt điều này. REST thì không, vì mọi giao dịch đều bao gồm tất cả thời gian thiết lập socket và chi phí giao tiếp. OPC-UA là một phần, bởi vì nó sử dụng cơ chế bỏ phiếu thông minh trao đổi băng thông cho độ trễ. Phần mềm và dịch vụ Smart Industry duy trì kết nối và chỉ truyền dữ liệu qua DHTP , tiêu tốn rất ít băng thông, với độ trễ rất thấp.

Có thể hỗ trợ hàng trăm hoặc hàng nghìn nguồn dữ liệu và người dùng được kết nối với nhau.

Một khía cạnh quan trọng của Internet of Things là tầm nhìn kết nối hàng trăm, hàng nghìn, thậm chí hàng triệu thứ qua Internet và cung cấp quyền truy cập vào dữ liệu từ bất kỳ thứ nào hoặc nhóm thứ nào cho bất kỳ số lượng khách hàng nào. Các giao thức hướng sự kiện như MQTT và AMQP cho phép mở rộng kiểu này, trong khi mô hình thăm dò của REST ngăn chặn điều đó.

OPC UA cũng theo hướng sự kiện và do đó về mặt lý thuyết có thể mở rộng quy mô, nhưng mô hình thăm dò cơ bản của nó không cho phép số lượng rất lớn các kết nối đồng thời. DHTP trừu tượng hóa dữ liệu từ giao thức qua kết nối và cũng triển khai mô hình hướng sự kiện, cho phép nó mở rộng quy mô tốt.

Hầu như không thêm độ trễ cho quá trình truyền dữ liệu.

Bất kỳ loại HMI từ xa hoặc hệ thống điều khiển giám sát nào đều hiệu quả hơn nhiều khi hoạt động ít nhất là trong thời gian gần thực. Độ trễ lan truyền một hoặc nhiều giây có thể chấp nhận được trong một số điều kiện nhất định hoặc trong một số trường hợp sử dụng nhất định, nhưng chúng không phải là lý tưởng. AMQP và MQTT chỉ cung cấp hành vi thời gian thực nếu chúng không hoạt động với đảm bảo giao hàng. 

Có nghĩa là, nếu bạn chọn chất lượng dịch vụ “phân phối đảm bảo” thì kết nối chậm sẽ ngày càng tụt hậu so với thời gian thực. Ngược lại, DHTP đảm bảo tính nhất quán, không phải phân phối gói riêng lẻ và có thể duy trì đảm bảo đó trong thời gian thực trên kết nối chậm. REST chỉ đơn giản là có quá nhiều chi phí kết nối để cho phép hiệu suất thời gian thực trong hầu hết các trường hợp. OPC UA, là một giao thức công nghiệp, đáp ứng tốt tiêu chí này.

Mã hóa dữ liệu để máy khách và máy chủ không cần biết các giao thức của nhau.

Định dạng dữ liệu được xác định rõ là điều cần thiết cho khả năng tương tác, cho phép mọi nguồn dữ liệu giao tiếp liền mạch với bất kỳ người dùng dữ liệu nào. Khả năng tương tác là động lực chính đằng sau các giao thức OPC ban đầu và được hỗ trợ đầy đủ bởi định dạng dữ liệu OPC UA. Bất kỳ phần mềm hoặc dịch vụ IoT công nghiệp nào cũng phải hỗ trợ ít nhất một, nếu không phải là nhiều định dạng dữ liệu có thể tương tác.

Phần mềm Edge platform của Smart Industry hỗ trợ một số và cho phép trao đổi thời gian thực giữa chúng và DHTP . MQTT, AMQP và REST không hỗ trợ khả năng tương tác giữa máy chủ và máy khách vì chúng không xác định định dạng dữ liệu, chỉ định dạng phong bì thư. Do đó, máy chủ MQTT của một nhà cung cấp rất có thể sẽ không thể giao tiếp với máy khách MQTT của nhà cung cấp khác và điều này cũng đúng với AMQP và REST.

Message Broker nhắn tin phản hồi thích hợp khi người dùng dữ liệu không thể theo kịp tốc độ dữ liệu đến.

Xử lý quá tải đề cập đến cách Broker phản ứng khi máy khách không thể theo kịp tốc độ dữ liệu đến hoặc khi máy chủ không thể theo kịp tốc độ dữ liệu đến từ máy khách. MQTT và AMQP phản hồi theo một trong hai cách. Hoặc chúng chặn, trở nên không hoạt động và chặn tất cả các khách hàng một cách hiệu quả. Hoặc họ bỏ dữ liệu mới thay cho dữ liệu cũ, dẫn đến sự không thống nhất giữa máy khách và máy chủ. REST bão hòa máy chủ web của nó và không phản hồi. OPC UA cố gắng loại bỏ dữ liệu cũ để có dữ liệu mới, nhưng tiêu tốn một lượng lớn tài nguyên CPU để làm như vậy. 

Khi cần, Edge platform của Smart Industry và Data Hub có thể loại bỏ dữ liệu cũ một cách hiệu quả và sử dụng DHTP chúng đảm bảo tính nhất quán giữa máy khách và máy chủ thậm chí qua nhiều bước. Dữ liệu đến hoặc đi đến các máy khách quá tải vẫn nhất quán và tất cả các máy khách khác không bị ảnh hưởng.

Mỗi ứng dụng khách biết chắc chắn nếu và khi nào một kết nối ở bất kỳ đâu dọc theo đường dẫn dữ liệu bị mất và khi nào nó phục hồi.

Hầu hết các giao thức không cung cấp thông tin thông báo lỗi từ bên trong chính giao thức, mà dựa vào các máy khách để xác định rằng kết nối socket bị mất. Cơ chế này không lan truyền khi có nhiều hơn một bước nhảy trong chuỗi giao tiếp. Một số giao thức (chẳng hạn như MQTT) sử dụng “ý chí và chứng thực cuối cùng” dành riêng cho ứng dụng và do đó không mang tính di động và chỉ tốt cho một kết nối trong chuỗi. Khách hàng nhận dữ liệu từ nhiều nguồn sẽ cần được định cấu hình cụ thể để biết thông báo “ý chí cuối cùng” nào được liên kết với nguồn dữ liệu nào. 

Trong MQTT, AMQP, REST và OPC UA giống nhau, giao thức giả định rằng máy khách sẽ biết dữ liệu đang truyền qua có bao nhiêu bước nhảy và máy khách sẽ cố gắng theo dõi tình trạng của tất cả các bước nhảy. Điều đó đặc biệt mong manh, vì kiến ​​thức về định tuyến dữ liệu phải được mã hóa trong máy khách. Nói chung, điều này không thể được thực hiện đáng tin cậy.DHTP không chỉ truyền tải dữ liệu mà còn truyền thông tin về chất lượng của kết nối. Mỗi nút hoàn toàn nhận thức được chất lượng của dữ liệu và chuyển thông tin đó cùng với nút hoặc máy khách tiếp theo.

Đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu, được bảo toàn thông qua nhiều bước nhảy.

Mục tiêu quan trọng của IIoT là cung cấp một bức tranh nhất quán về tập dữ liệu công nghiệp, cho dù để lưu trữ, giám sát hoặc kiểm soát giám sát. Khả năng của MQTT để đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu là rất mong manh vì các tùy chọn Chất lượng dịch vụ của nó chỉ áp dụng cho một bước duy nhất trong chuỗi dữ liệu. Và trong một bước nhảy duy nhất đó, việc phân phối chỉ có thể được đảm bảo với chi phí là mất hiệu suất thời gian thực. 

Hiệu suất thời gian thực có thể được bảo toàn, nhưng chỉ bằng cách giảm thông báo và cho phép dữ liệu trở nên không nhất quán giữa máy khách và máy chủ. Khả năng đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu của AMQP là rất mong manh vì giống như MQTT, nó chỉ áp dụng cho một bước duy nhất trong chuỗi. Ngoài ra, đảm bảo giao hàng của nó chặn khi khách hàng không thể theo kịp máy chủ và trở nên bão hòa. REST không cung cấp tùy chọn Chất lượng Dịch vụ,DHTP đảm bảo tính nhất quán và bảo đảm được duy trì thông qua bất kỳ số bước nhảy nào.

Các Broker có thể kết nối với các Broker khác để hỗ trợ một loạt các kiến ​​trúc thu thập và phân phối.

Các yêu cầu của IIoT đưa nó vượt ra ngoài kiến ​​trúc máy khách-máy chủ cơ bản của các ứng dụng công nghiệp truyền thống. Để đưa dữ liệu ra khỏi một nhà máy và đến một nhà máy khác, văn phòng công ty, trang web hoặc vị trí khách hàng, thường thông qua DMZ hoặc máy chủ đám mây, thường yêu cầu hai hoặc nhiều máy chủ, được nối với nhau. Giao thức OPC UA đơn giản là quá phức tạp để tái tạo trong một chuỗi daisy. Thông tin sẽ bị mất trong hop đầu tiên. Nỗ lực xâu chuỗi một số khía cạnh của giao thức OPC UA sẽ dẫn đến các tương tác đa bước đồng bộ sẽ rất mong manh trên tất cả trừ các mạng đáng tin cậy nhất và sẽ dẫn đến độ trễ cao. Chuỗi OPC UA cũng không cung cấp quyền truy cập vào dữ liệu tại mỗi nút trong chuỗi.

Về lý thuyết, các máy chủ REST có thể được xâu chuỗi, nhưng sẽ đồng bộ và không cung cấp quyền truy cập vào dữ liệu tại mỗi nút trong chuỗi. MQTT và AMQP có thể được xâu chuỗi, nhưng nó yêu cầu mỗi nút trong chuỗi phải biết rằng nó là một phần của chuỗi và được cấu hình riêng. Các đảm bảo QoS trong MQTT và AMQP không thể truyền qua chuỗi, do đó, chuỗi daisy làm cho dữ liệu ở các đầu không đáng tin cậy.

Edge platform của Smart Industry đều hỗ trợ các máy chủ theo chuỗi vì DHTP cho phép chúng sao chép toàn bộ tập dữ liệu tại mỗi nút và cung cấp quyền truy cập vào dữ liệu đó cho cả các máy khách đủ điều kiện, cũng như nút tiếp theo trong chuỗi. Đảm bảo DHTP QoS tuyên bố rằng bất kỳ máy khách hoặc điểm trung gian nào trong chuỗi sẽ nhất quán với nguồn ban đầu, ngay cả khi một số sự kiện phải được loại bỏ để đáp ứng băng thông hạn chế.

Kết Luận

Không bao giờ là đầy đủ, tổng quan về giao tiếp dữ liệu IIoT hiệu quả này cung cấp phần giới thiệu về chủ đề và cố gắng làm nổi bật một số khái niệm chính, thông qua việc chia sẻ những gì chúng tôi nhận thấy là tiêu chí thiết yếu để đánh giá một số giao thức hiện đang được cung cấp.

Vì không có MQTT, AMQP, REST hoặc OPC UA nào được thiết kế đặc biệt để sử dụng trong IoT công nghiệp, nên không có gì ngạc nhiên khi chúng không đáp ứng các tiêu chí này. Mặt khác , DHTP được tạo ra đặc biệt để đáp ứng nhu cầu giao tiếp dữ liệu IIoT trong công nghiệp và hiệu quả, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho giao thức IIoT.

Những ngành nào đang ứng dụng công nghệ IIoT ?