Serie IIoT #5 – MQTT

Was ist MQTT und warum ist es ideal für SCADA?

Zwar gibt es derzeit eine Reihe konkurrierender IIoT-Technologien und -Protokolle, doch der extrem geringe Overhead (2-Byte-Header), das Publish/Subscribe-Modell und die bidirektionalen Fähigkeiten von MQTT eignen sich in einzigartiger Weise für die Anforderungen industrieller Steuerungssysteme.

MQTT, ist ein OASIS-Standard, der offen und lizenzfrei ist. (OASIS ist die «Organization for the Advancement of Structured Information Standards», ein internationales Konsortium, das die Einführung von produktunabhängigen Standards für Informationsformate fördert).

Was sind die Vorteile von MQTT?

Das MQTT-Protokoll ermöglicht Ihrem SCADA-System den Zugriff auf IIoT-Daten. MQTT bringt viele leistungsstarke Vorteile für Ihren Prozess:

• Effizientere Verteilung von Informationen
• Maximale Skalierbarkeit
• Reduzierung der Aktualisierungsraten auf Sekunden
• Sehr gut geeignet für Remoteüberwachung und -steuerung
• Effizientere Nutzung der verfügbaren Bandbreite
• Äußerst geringer Overhead
• Sehr sicher mit erlaubnisbasierter Berechtigung
• Praxiserprobt und verbreitet – wird in kritischer Infrastruktur wie der Energie-, Öl- und Gasindustrie sowie von vielen grossen Unternehmen wie Amazon, Facebook, Coca-Cola, Shell, General Dynamics verwendet
• Minimale Entwicklungszeit

Wählen Sie MQTT als Ihr IIoT-Messaging-Protokoll

Ihre gesamte IIoT-Lösung wird in hohem Maße von dem gewählten Protokoll abhängen, da es das Rückgrat Ihres Systems ist.

Die gängigsten IIoT-Protokolle lassen sich in zwei Kategorien einteilen. Eine Kategorie sind die Publish-and-Subscribe-Protokolle (Pub-Sub-Protokolle), die eine Verbindung zu einem Thema auf einem zwischengeschalteten Broker herstellen und Daten veröffentlichen. MQTT, AMQP, DDS und XMPP sind Beispiele für Pub-Sub-Protokolle.

Die andere Kategorie sind die Poll-Response- oder Client-Server-Protokolle, wie z. B. Allen-Bradley, Omron und Modbus, bei denen sich die Clients ständig mit dem Server verbinden und Anfragen stellen, um festzustellen, ob sich Daten geändert haben.

Für welche der beiden Kategorien sollten Sie sich entscheiden? Für den effektiven Aufbau einer flexibel skalierbaren Lösung mit einem hohen Maß an Effizienz ist es am besten, ein Publish-Subscribe-Kommunikationsprotokoll zu verwenden. Anstatt Anwendungen direkt mit Geräten zu verbinden, entkoppeln Publish-Subscribe-Protokolle die Geräte und ermöglichen es Anwendungen, sich mit Middleware zu verbinden. Über Middleware können Sie jede Anwendung, welche Daten von einem beliebigen Gerät benötigt, verbinden, ohne das Netz stark zu belasten.

Aus der Liste der verfügbaren Protokolle in der Pub-Sub-Kategorie empfehlen wir dringend die Verwendung von MQTT. Es ist mehr als nur ein Protokoll, es ist die Grundlage für den Aufbau Ihrer neuen Architektur und macht IIoT schon heute zur Realität.

Machen Sie MQTT zu Ihrem Kommunikationsprotokoll

Auch wenn MQTT noch nicht sehr lange im Rampenlicht steht, und den Eindruck erweckt, es handele sich um eine brandneue Technologie, gibt es MQTT schon seit geraumer Zeit. Im Jahr 1999 erfanden Dr. Andy Stanford-Clark von IBM und Arlen Nipper ein Messaging-Protokoll, das hauptsächlich für Echtzeit-SCADA-Systeme in der Öl- und Gasindustrie gedacht war. Zu dieser Zeit waren Betriebstechnologie (Operational Technology kurz OT) und Informationstechnologie zwei getrennte Welten. Im Gegensatz zur IT war die Bandbreite in der OT weder kostenlos noch unbegrenzt.

In dem Bestreben, die Kommunikationsbeschränkungen von OT zu umgehen, wurde MQTT als leichtgewichtiges Pub-Sub-Protokoll entwickelt, das Bandbreite einspart. Der wahre Wert von MQTT liegt jedoch in seiner Fähigkeit, Edge-Geräte von Anwendungen zu entkoppeln, welche die Daten benötigen. Herkömmliche Poll-Response-Kommunikationsprotokolle können eine Menge Bandbreite verbrauchen, ohne einen wirklichen Nutzen zu bieten. Die Pub-Sub-Methode von MQTT ermöglicht es Geräten, Daten an eine nachrichtenorientierte Middleware (MOM) zu übermitteln. Anstatt dass Anwendungen die Geräte ständig auf Wertänderungen zu überprüfen, können sie sich mit einem MOM verbinden und die wichtigen Daten, die sie benötigen, abonnieren, einschließlich der Informationen zum Gerätezustand.

Da sich MQTT als ein hervorragendes Kommunikationsprotokoll erwiesen hat, wird es weit über die Öl- und Gasindustrie hinaus verwendet und hat sich mittlerweile als Standard für IIoT- und M2M-Nachrichten etabliert. Schon in der IoT Developer Survey 2016 der Eclipse Foundation wählten 80 Prozent der Befragten MQTT als führendes Protokoll für IIoT. MQTT wurde in der Folge rasch zu einem der beliebtesten IIoT-Protokolle und viele OEM-Hersteller betten MQTT bereits standardmässig in ihre Geräte ein. Das starke Wachstum und die weitere Verbreitung sind ein Zeichen für sich – MQTT ist die beste Wahl für Ihre IIoT-Lösung.

Was macht MQTT zum idealen Protokoll?

MQTT hat drei besondere Eigenschaften, die es zum idealen IIoT-Protokoll machen: geringe Bandbreite, TLS-Sicherheit und, Stateful Awareness.

Begrenzte Bandbreiten stellen eine ernsthafte Herausforderung für das IIoT dar, insbesondere für abgelegene Standorte, was MQTT zum idealen Protokoll macht. Es handelt sich um ein leichtgewichtiges Kommunikationsprotokoll mit minimaler Bandbreite, welches ein Pub-Sub-Verfahren verwendet. Poll-Response-Protokolle senden und empfangen eine Menge sich wiederholender Daten, die eine unnötige Menge an Bandbreite beanspruchen. MQTT verwendet ein MOM, das die Geräte von den Anwendungen entkoppelt und so die Bandbreitennutzung reduziert. Die Geräte verbinden sich direkt mit einem MOM, in diesem Fall dem MQTT-Server, wo die Daten gesammelt werden. Die Anwendungen stellen dann eine Verbindung zum MQTT-Server her und erhalten erst dann eine Aktualisierung, wenn sich die Daten verändert haben.

 

Das zweite wichtige Merkmal ist die Verwendung eines kryptografischen Sicherheitsprotokolls namens Transport Layer Security (TLS), das die Sicherheit der Kommunikation über ein Computernetz gewährleistet. TLS gewährleistet den Datenschutz und die Datenintegrität zwischen zwei kommunizierenden Computeranwendungen und es verhindert das Abhören und Manipulationen der Daten bei der Übertragung. Durch die Verwendung von TLS baut MQTT eine sichere, private Verbindung über einen Handshake-Prozess auf. Sobald eine Verbindung hergestellt ist, werden die Daten verschlüsselt und zwischen dem Client und dem Server übertragen. Wenn der Handshake fehlschlägt, werden keine Daten übertragen.

 

 

MQTT bietet nicht nur eine geringe Bandbreite und ein hohes Mass an Sicherheit, sondern hat auch eine unglaublich nützliche Funktion namens “stateful awareness”. Während aktuelle SCADA-Implementierungen lediglich Daten von Geräten übertragen, sendet MQTT auch Daten zum Gerätezustand des Geräts oder der Netzwerkverbindung. Dies ist für abgelegene Standorte unglaublich wichtig, da die Betreiber so feststellen können, ob die Netzwerkverbindungen funktionieren oder die Geräte nicht verfügbar sind.Wenn Sie tiefer in die Best Practices für IIoT eintauchen, werden wir feststellen, dass Stateful Awareness eine der wichtigsten Voraussetzungen für eine erfolgreiche IIoT-Implementierung ist.

Wie beginnen?

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