Sparkplug——專為行業(yè)開發(fā)

隨著數(shù)字化和全球網(wǎng)絡(luò)化,對于功耗更低的機(jī)器和設(shè)備而言,一種輕便高效的通信方法的重要性與日俱增。Sparkplug規(guī)范補(bǔ)充了 MQTT 消息協(xié)議,并使這種類型的通信對行業(yè)具有吸引力。您可以在本文中閱讀有關(guān) Sparkplug 的所有重要信息以及如何從中受益。

什么是Sparkplug?

1. 什么是Sparkplug?

Sparkplug是 Eclipse 基金會(huì)為業(yè)界制定的規(guī)范,將某些標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)集成到 MQTT 通信中。

Eclipse基金會(huì)

Eclipse Foundation 是一個(gè)支持全球開源項(xiàng)目的非營利性社區(qū)。它成立于 2004 年 1 月,圍繞 Eclipse 項(xiàng)目提供了一個(gè)公開透明的社區(qū)。該基金會(huì)總部位于歐洲,擁有數(shù)百名成員,他們都將開源項(xiàng)目視為行業(yè)的重要因素。

Eclipse 基金會(huì)資金來自其成員的年度捐款。它有全職員工致力于支持和維護(hù)社區(qū)。

Sparkplug

2020 年,許多 Eclipse 基金會(huì)成員創(chuàng)建了Sparkplug工作組。目標(biāo)是制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),使供應(yīng)商、制造商和用戶更容易在物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 中工作。許多專家緊密合作,開發(fā)了開源 Sparkplug 規(guī)范。這個(gè)工作組的成員也是inray的合作伙伴HiveMQ。

產(chǎn)業(yè)與分布

Sparkplug 規(guī)范已經(jīng)在行業(yè)中確立了穩(wěn)固的地位。在 IT 和 OT 行業(yè)中,經(jīng)常會(huì)遇到 Sparkplug 的使用。有許多不同的行業(yè)使用 Sparkplug。例如,可以在地理信息系統(tǒng)或汽車行業(yè)中找到應(yīng)用領(lǐng)域。

總之,只要 OT 與 IT 對話,就可以使用 Sparkplug。

2. Sparkplug的工作原理

與 Sparkplug 規(guī)范的通信基于MQTT 原理。多個(gè)通信參與者將他們的數(shù)據(jù)和信息發(fā)送到 MQTT 代理,然后由該代理進(jìn)行分發(fā)。Sparkplug中的通信參與者分為節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用。

Sparkplug通信

節(jié)點(diǎn)使不支持Sparkplug的機(jī)器和設(shè)備在 OT 中支持Sparkplug。他們負(fù)責(zé)連接的設(shè)備并負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如果一個(gè)設(shè)備或機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn) Sparkplug 規(guī)范,則該設(shè)備作為自己的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交易,可以直接與MQTT 代理通信。Sparkplug 通信中的示例節(jié)點(diǎn)是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),或使用 Sparkplug 的機(jī)器本身。

應(yīng)用程序(Application Nodes)是駐留在IT中的通信節(jié)點(diǎn),可以接收和處理來自MQTT代理的信息。例如,支持 MQTT 的 ERP 系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫在網(wǎng)絡(luò)中稱為應(yīng)用程序。

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3. Sparkplug A vs B

Sparkplug 規(guī)范配備了MQTT 負(fù)載的兩個(gè)定義。因此,Sparkplug A 和 Sparkplug B 也產(chǎn)生了兩個(gè)用于工業(yè)用途的版本。Sparkplug A 基于 Kura 的 Google Protocol Buffer 的開源定義。Google Protocol Buffer是一種用于序列化的數(shù)據(jù)格式,帶有用于接口的混合語言。Sparkplug B 由眾多系統(tǒng)集成商、專家和最終用戶共同開發(fā),為 MQTT 通信提供了全面的數(shù)據(jù)模型。Sparkplug B 版在工業(yè)中使用更為廣泛。當(dāng)提到 Sparkplug 時(shí),通常指的是 Sparkplug B。

4. 工業(yè)Sparkplug

Sparkplug 規(guī)范專為行業(yè)開發(fā),易于在現(xiàn)場級(jí) (OT) 部署。輕量級(jí)通信創(chuàng)造了許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域。通過使用 Sparkplug 節(jié)點(diǎn),不支持 Sparkplug 的設(shè)備成為 Sparkplug 網(wǎng)絡(luò)中的通信參與者。因此,Sparkplug 規(guī)范可用于任何行業(yè)。

以數(shù)字化為目標(biāo)的公司,例如汽車行業(yè)、石油行業(yè)或系統(tǒng)集成商,都依賴于 Sparkplug 規(guī)范。輕量級(jí)和基于標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議自開發(fā)以來迅速確立了自己的地位。

5.Sparkplug優(yōu)勢

Eclipse 基金會(huì)創(chuàng)建了 Sparkplug 工作組,因?yàn)闃I(yè)界正在尋找 MQTT 通信的補(bǔ)充。允許機(jī)器和設(shè)備與 MQTT 通信會(huì)帶來許多好處。但是,在字段級(jí) (OT) 手動(dòng)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化MQTT 主題和 MQTT 負(fù)載非常繁瑣。許多機(jī)器和設(shè)備不提供向 MQTT 消息添加結(jié)構(gòu)的能力。

Sparkplug 已經(jīng)帶來了所需的結(jié)構(gòu),確保在實(shí)踐中只需很少的編程工作和輕松快速的部署。

MQTT 主題和 MQTT 負(fù)載在 Sparkplug 規(guī)范中有一個(gè)固定的標(biāo)準(zhǔn),在整個(gè)通信過程中保持一致。與 MQTT 技術(shù)一起,Sparkplug 加速并簡化了內(nèi)部通信。

6. Sparkplug有什么用?

Sparkplug 規(guī)范的定義結(jié)構(gòu)促進(jìn)并加速了內(nèi)部通信。因此,機(jī)器和設(shè)備可以通過將它們的數(shù)據(jù)發(fā)送到 MQTT 代理來與 IT 通信。然后,數(shù)據(jù)庫、云環(huán)境或其他支持 Sparkplug 的系統(tǒng)可以接收此數(shù)據(jù)并將其用于進(jìn)一步處理。一種已經(jīng)可以使用 Sparkplug 結(jié)構(gòu)接收數(shù)據(jù)的云環(huán)境是 HiveMQ 云。Sparkplug 工作組的聯(lián)合創(chuàng)始人正在通過 Sparkplug 在全球范圍內(nèi)提供 MQTT 數(shù)據(jù)。能夠訪問世界各地的數(shù)據(jù)只是數(shù)字化的眾多好處之一。Sparkplug 使在您自己的公司中實(shí)施數(shù)字化變得更加容易。

輕量級(jí)高效的 MQTT 通信與 Sparkplug 規(guī)范相結(jié)合,提供了從 OT 到 IT 的快速安全數(shù)據(jù)傳輸。

七、安全

由于 Sparkplug 使用 MQTT 消息協(xié)議進(jìn)行通信,它還受益于 MQTT 的高安全標(biāo)準(zhǔn)。MQTT 構(gòu)建了一個(gè) TCP/IP 傳輸層,通過該層不會(huì)在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送未加密的信息。此外,SSL/TLS 確保所有通信參與者的連接都經(jīng)過加密和保護(hù)。這種加密可以防止第三方冒充通信伙伴來干擾網(wǎng)絡(luò)。加密會(huì)檢測到此嘗試并保護(hù)內(nèi)部通信。授權(quán)框架將通信參與者分為白名單和黑名單,并通過 MQTT 進(jìn)一步提高安全性。

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8. 比較Sparkplug

通過 MQTT 從 OT 向 IT 發(fā)送數(shù)據(jù)不僅適用于 Sparkplug。數(shù)據(jù)也可以通過 MQTT 或 OPC UA Pub/Sub 共享。此處顯示了與 Sparkplug 規(guī)范的相關(guān)差異。

Sparkplug與 MQTT

通過 MQTT 的通信提供了獨(dú)立設(shè)計(jì) MQTT 主題和 MQTT 負(fù)載的可能性,沒有規(guī)范和結(jié)構(gòu)。因此,無法綁定到結(jié)構(gòu)的機(jī)器和設(shè)備仍然可以在 MQTT 網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行。公司自己的標(biāo)準(zhǔn)也可以通過這種方式整合。該標(biāo)準(zhǔn)適用于 IT 中的機(jī)器和設(shè)備以及系統(tǒng)。這樣就可以用公司自己的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行內(nèi)部溝通。

Sparkplug 與 OPC UA 發(fā)布/訂閱

使用OPC UA Pub/Sub,通信也基于 MQTT 原則。通過這種類型的通信,數(shù)據(jù)符合 OPC UA 標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)器和設(shè)備可以通過 MQTT 直接與網(wǎng)絡(luò)共享它們的 OPC UA 數(shù)據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)確保很少的編程工作,并在實(shí)踐中提供快速部署。通過 MQTT 代理,其他設(shè)備或系統(tǒng)(如 ERP 或 SQL)可以連接并集成到網(wǎng)絡(luò)中。

9. Sparkplug示例

Sparkplug-話題

所有使用 Sparkplug B 原理進(jìn)行通信的 MQTT 客戶端都使用以下 MQTT Topic 結(jié)構(gòu):

[命名空間]/[group_id]/[message_type]/[edge_node_id]/{[device_id]}

Sparkplug有效載荷

Sparkplug 有效負(fù)載由以下五個(gè)組件組成。

  • 時(shí)間戳:時(shí)間戳表示為表示毫秒的 64 位整數(shù)。
  • 指標(biāo):此處傳遞的信息描述了例如消息中存在的數(shù)據(jù)類型。
  • SEQ: SEQ 是序列號(hào)。Sparkplug 網(wǎng)絡(luò)中的所有消息都分配了一個(gè)序列號(hào)并按升序計(jì)數(shù)。
  • UUID:UUID 用于表示消息方案。例如,一種編碼機(jī)制,是否應(yīng)該對消息內(nèi)容進(jìn)行編碼。
  • Body : Body 是用戶可以單獨(dú)感受到并使用數(shù)據(jù)的消息內(nèi)容。

Sparkplug 有效負(fù)載示例

Sparkplug 有效載荷以二進(jìn)制形式發(fā)送,采用 protobuff 格式。雖然結(jié)構(gòu)類似于 JSON 結(jié)構(gòu),但這不是 JSON 格式。

{
“時(shí)間戳”:1486144502122,
“指標(biāo)”:[{
“名稱”:“算法”,
“數(shù)據(jù)類型”:“字符串”,
“值”:“GZIP”
}]“seq”:0,
“uuid”:“SPBV1 .0_COMPRESSED”,
“身體”:
}

在實(shí)踐中與 Sparkplug 輕松溝通

Sparkplug 為 MQTT 通信協(xié)議提供了必要的標(biāo)準(zhǔn),使其在實(shí)踐中使用有利可圖。

在實(shí)踐中,Sparkplug 通常用于內(nèi)部通信。Sparkplug 為網(wǎng)絡(luò)帶來的輕量級(jí) MQTT 通信網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)使此類通信有利可圖。OPC Router等軟件可用于在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中分發(fā)來自機(jī)器的數(shù)據(jù)和信息。機(jī)器數(shù)據(jù)可以通過 MQTT 代理(例如來自HiveMQ的代理)發(fā)送到SAP等 ERP 系統(tǒng)。MongoDBInfluxDB等數(shù)據(jù)庫或AWS CloudMicrosoft Azure Cloud等云環(huán)境也可以集成到內(nèi)部通信中。

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