工业4.0通信技术研究现状.docx

1 DDS实时系统传统通信模型大多是基于客户端/服务器（Client/Server，C/S）的通信模型，模型中通信的双方通过远程调用的方式进行数据通信。但随着分布式系统的广泛应用，各分部节点之间的信息交换需求提升以及信息交换的质量要求越来越高，传统基于C/S架构的以业务流程为中心的分布式软件系统难以满足日益提升的需求。这种架构下系统大多采用远程过程调用协议（Remote Procedure Call ,RPC）来完成节点间的信息交互，但是此种传送方式可传输数据量小、效率低。存在服务器瓶颈以及单点失效等问题。因此对象管理组织（Object Management Group，OMG）在Data Distribution Service for Real-time System发布了数据分布服务（Data Distribution Service，DDS）。DDS是一种面向实时系统的数据分布式服务规范，该规范描述了分布式实时系统中数据的发布、传输和接受的接口和行为。从系统结构分析，DDS为双层框架结构，分别是数据本地重构层（data local reconstruction layer，DLRL）和以数据位中心的发布订阅机制（data-centric publish/subscribe，DCPS）。DCPS层是DDS的核心和基础。DCPS层提供了数据发布的基础架构，确保正确有效的传输适当的信息给适当的接收者。该机制模型建立了“全局数据空间”的概念，信息的发布者和订阅者在全局空间中分别发布和订阅自己所需要的数据类型，该数据经过中间件处理之后进行传送，将传统的C/S模式转化为以数据为中心的服务模式。DCPS层将用户对资源的需求情况和资源的可用情况均转化为服务质量（Quality of Service，QoS）的参数，QoS包含多种策略形式，每种策略通过与一个被赋值的名字关联来描述服务的行为；同时，QoS贯穿整个DDS通信过程，开发者通过预先确定系统所需的QoS来对其进行设定，从而程序化服务器行为。DLRL作为数据本地重构层，其本身是可供选择的，通过DCPS提供的服务，简化编程实现工作，将服务整合到应用层，方便用户直接访问变更的数据，从而达到与本地语言结构无缝连接的目的。具体实现机制为：通过类的形式封装DCPS层提供的服务，并建立每个类与DCPS层相应服务的映射关系，然后通过本地语言结构对DLRL层的类进行操纵,让用户能够方便快捷地访问数据。DLRL层可以将更新后的本地数据自动重组,然后中间件发消息给所有已经订阅过该数据的订阅者更新本地的拷贝信息。从系统功能分析，DDS需要满足以下技术：包含链路建立和删除的链路动态管理；采用队列技术、定时器技术以及锁机制的数据高效管理；保证分布式节点之间数据实时传输的系统实时性。由于DDS系统出身于美国军方，目前标准和产品大部分为美国公司和组织把持和主导，DDS主要应用于军事设备，诸如美国海上战争中心（NSWC）的高性能分布式计算系统（HiPer-D），HiPer-D可以同时跟踪成千上万个目标，并能完成多艘舰船的几百个计算机之间的协同通讯；洛马美国海军Aegis（宙斯盾）开发是构架武器系统；波音公司扫描鹰无人机侦查及地面控制系统；德国RoboScout机器人侦察车内部通讯系统等。如今在军事领域以外，DDS也已经广泛应用于民航以及工业控制等领域，成为分布式实时系统中数据发布/订阅的标准和解决方案。诸如大众汽车辅助驾驶与安全集成系统，CAE飞行模拟器系统，欧洲空中交通管理系统。2 oneM2M在高通、爱立信、华为等芯片制造商、设备制造商和运营商的推动下，欧洲电信标准化协会（ETSI）邀请7家ICT行业标准化组织中国通信标准化协会（CCSA）、日本无线工业及商贸联合会（ARIB）和电信技术委员会（TTC）、美国电信工业解决方案联盟（ATIS）和通信工业协会（TIA）、欧洲电信标准化协会（ETSI）以及韩国电信技术协会（TTA），作为发起组建了OneM2M标准化组织。2.1 OneM2M平台介绍OneM2M平台标准致力于通过建设水平共性能力平台来支撑各种行业应用开发及部署，避免业务平台的相互分离，所导致的平台零散化和投资重复化。从平台逻辑功能分析，物联网平台主要分为两类：连接管理平台以及应用支撑平台。连接管理平台主要包括终端管理及网络连接管理功能，例如Jasper平台；应用支撑平台主要包括应用支持和业务分析能力。OneM2M平台融合了两类平台的功能，提供了一个满足多业务的全面、通用平台。OneM2M平台具有以下优势：1）首个国际标准化物联网平台，互通性好，实现平台、网络、终端三者互联互通，降低开发调试成本。2）OneM2M平台实现了应用支撑平台的多样性。通过语义标准化实现跨行业数据理解，并形成标准化API接口，促进平台间互通。3）OneM2M具有良好的连接管理能力。OneM2M能良好的连接多个网络对其实现数据连通管理，保证传输的稳定顺畅。2.2 OneM2M在工业互联网中的应用工业领域一直是OneM2M重点关注领域，2016年TP#24次会议，重申工业互联网和车联网是OneM2M的优先推广产业。OneM2M在工业互联网中的有七种典型应用场景：2.2.1 按需采集工业数据：SCADA系统对PLC设备进行检测会产生大量数据，因此需要数据预处理并按需传输。2.2.2 工业数据的完整性：工业监控需要保证数据传输过程中为保证监控的有效性，需要保证数据包的完整性。2.2.3 企业间协作生产的数据处理：跨企业协作要去根据不同的企业业务需求，部署相应的数据采集及处理机制。2.2.4 实时数据采集：自动化生产中为实现实时监控反馈，从而满足对生产设备的充分控制，要求系统进行有优先级的实时数据采集。2.2.5 工业领域的数据安全保护：工业自动化生产与执行数据、资料对企业至关重要，对于上述信息通过权限认证、授权、加密保障数据安全。2.2.6 工业领域的QoS机制：工厂中为保证业务的QoS需要收集、传输大量数据，并根据所收集到数据对不同的业务进行监测、控制。2.3 OneM2M在工业互联网中的未来发展2.3.1 OneM2M平台与现有工业协议OPC-UA的互操性OPC-UA是一种目前工业界广泛使用的工业协议与信息模型，将OneM2M MAS工作组引入OPC-UA的信息模型和互操作模式，并将OPC-UA的信息模型映射成OneM2M资源。2.3.2 OneM2M结合公共服务例如韩国电信SK发布的基于OneM2M的开放物联网平台ThingPlug，通过与釜山市政府合作，推广平车管理服务、建筑能源管理服务以及智能物联网安全服务。2.3.3 基于OneM2M的开