Was ist Sparkplug?

3. Unified Namespace (UNS)

Der Unified Namespace (UNS) ist ein Konzept im Bereich des Datenmanagements, das darauf abzielt, verschiedene Datenquellen und -typen unter einem gemeinsamen Namensraum zu vereinen. Im Wesentlichen bietet UNS eine einheitliche Sicht auf Daten, unabhängig von ihrer physischen Speicherung oder Struktur. Anstatt separate Namensräume für jede Datenquelle zu haben, werden alle Daten unter einem einzigen Dach organisiert, was die Verwaltung und den Zugriff auf Informationen deutlich vereinfacht. Durch die Schaffung einer kohärenten Datenlandschaft ermöglicht UNS eine nahtlose Datenintegration und verbessert die Transparenz und Zugänglichkeit von Informationen für Unternehmen und Anwendungen.

Ein bedeutender Einsatz von UNS findet sich im Bereich von Sparkplug, einem Protokoll. Sparkplug nutzt die Ideen des Unified Namespace, um eine standardisierte Methode für die Übermittlung von Daten zwischen industriellen Geräten und Anwendungen zu bieten. Indem es einen einheitlichen Namensraum für Geräte, Sensoren und Steuerungen schafft, ermöglicht Sparkplug eine reibungslose Integration und Interoperabilität in komplexen IIoT-Ökosystemen. Dies vereinfacht nicht nur die Entwicklung und Implementierung von IIoT-Lösungen, sondern erhöht auch die Effizienz und Zuverlässigkeit industrieller Prozess.

4. Sparkplug A vs B

Die Sparkplug-Spezifikation ist mit zwei Definitionen für das MQTT-Payload ausgestattet. Somit ergeben sich mit Sparkplug A und Sparkplug B auch zwei Versionen für die industrielle Nutzung. Sparkplug A basiert auf der Open-Source-Definition des Google Protocol Buffer von Kura. Das Google Protocol Buffer ist ein Datenformat zur Serialisierung mit einer Beischreibungssprache für Schnittstellen. Sparkplug B wurde von vielen Systemintegratoren, Experten und Endbenutzern entwickelt und bietet ein umfassendes Datenmodell für die MQTT-Kommunikation. In der Industrie ist die Sparkplug Version B deutlich häufiger im Einsatz. Wenn von Sparkplug gesprochen wird, ist meistens die Rede von Sparkplug B.

5. Sparkplug in der Industrie

Die Sparkplug Spezifikation wurde für die Industrie und einen einfachen Einsatz in der Feldebene (OT) entwickelt. Die leichtgewichtige Kommunikation schafft viele unterschiedliche Einsatzbereiche. Durch den Einsatz von Sparkplug Nodes, werden nicht-sparkplug fähige Geräte zu Kommunikationsteilnehmern im Sparkplug Netzwerk. Daher kann die Sparkplug Spezifikation in der Industrie beliebig eingesetzt werden.

Unternehmen mit dem Ziel der Digitalisierung beispielsweise aus der Automobilbranche, der Ölbranche oder Systemintegratoren setzen auf die Sparkplug Spezifikation. Das leichtgewichtige und mit Standards aufgebaute Kommunikationsprotokoll hat sich den Platz seit der Entwicklung schnell gesichert.

6. Vorteile von Sparkplug

Die Eclipse Foundation rief die Sparkplug Working Group ins Leben, da in der Industrie nach einer Ergänzung in der MQTT-Kommunikation gesucht wurde. Maschinen und Geräte mit MQTT kommunizieren zu lassen bringt zahlreiche Vorteile mit sich. Allerdings ist das manuelle Erstellen von strukturierten MQTT-Topics und MQTT-Payloads in der Feldebene (OT) sehr umständlich. Viele Maschinen und Geräte bieten nicht die Möglichkeit, den MQTT-Nachrichten eine Struktur mitzugeben.

Sparkplug bringt die erforderliche Struktur bereits mit und sorgt somit für wenig Programmieraufwand sowie einen einfachen und schnellen Einsatz in der Praxis.

Das MQTT-Topic und das MQTT-Payload haben in der Sparkplug Spezifikation einen festgelegten Standard, der über die gesamte Kommunikation gleichbleibend ist. Zusammen mit der MQTT-Technologie beschleunigt und vereinfacht Sparkplug die interne Kommunikation.

7. Wofür wird Sparkplug benötigt?

Die festgelegten Strukturen der Sparkplug Spezifikation erleichtern und beschleunigen die interne Kommunikation. Maschinen und Geräte können somit mit der IT kommunizieren, indem sie ihre Daten an einen MQTT-Broker senden. Datenbanken, Cloud-Umgebungen oder andere Sparkplug-fähige Systeme können diese Daten daraufhin empfangen und für die Weiterverarbeitung nutzen. Eine Cloud-Umgebung, die bereits Daten mit der Sparkplug Struktur empfangen kann, ist die HiveMQ-Cloud. Der Mitgründer der Sparkplug Working Group macht MQTT-Daten per Sparkplug auf der ganzen Welt verfügbar. Auf Daten weltweit zugreifen zu können, ist nur einer von vielen Vorteilen der Digitalisierung. Mit Sparkplug wird es noch einfacher, die Digitalisierung im eigenen Unternehmen umzusetzen.

Die leichtgewichtige und effiziente MQTT-Kommunikation in Kombination mit der Sparkplug Spezifikation bietet einen schnellen und sicheren Transfer von Daten von der OT in die IT.

8. Sicherheit

Da Sparkplug über das MQTT-Nachrichtenprotokoll kommuniziert, profitiert es auch von den hohen Sicherheitsstandards von MQTT. MQTT baut eine TCP/IP Transportschicht auf, mit der keine Informationen im Netzwerk unverschlüsselt versendet werden. Zusätzlich sorgt SSL/TLS dafür, dass die Verbindung aller Kommunikationsteilnehmer verschlüsselt und gesichert abläuft. Diese Verschlüsselung verhindert Eingriffe von Dritten in das Netzwerk, die sich als Kommunikationspartner ausgeben. Die Verschlüsselung erkennt diesen Versuch und schützt die interne Kommunikation. Ein Autorisierungsframework teilt Kommunikationsteilnehmer in einer White- und Blacklist auf und erhöht zusätzlich die Sicherheit mit MQTT.

9. Sparkplug im Vergleich

Daten per MQTT von der OT in die IT zu senden funktioniert nicht nur mit Sparkplug. Auch per MQTT oder OPC UA Pub/Sub können Daten geteilt werden. Die relevanten Unterschiede zur Sparkplug Spezifikation werden hier aufgezeigt.

Sparkplug vs MQTT

Die Kommunikation per MQTT bietet die Möglichkeit, das MQTT-Topic und das MQTT-Payload frei von Vorgaben und Strukturen individuell zu gestalten. Maschinen und Geräte, die sich nicht an eine Struktur binden lassen, können somit trotzdem im MQTT-Netzwerk agieren. Auch ein unternehmenseigener Standard kann so integriert werden. Maschinen und Geräten sowie Systemen in der IT wird dieser Standard vorgegeben. Somit lässt sich unternehmensintern mit dem eigenen Standard kommunizieren.

Sparkplug vs OPC UA Pub/Sub

Bei OPC UA Pub/Sub wird auch nach dem MQTT-Prinzip kommuniziert. Die Daten erhalten bei dieser Kommunikationsart den OPC UA Standard vorgegeben. Maschinen und Geräte können ihre OPC UA Daten direkt per MQTT mit dem Netzwerk teilen. Dieser Standard sorgt für wenig Programmieraufwand und bietet einen schnellen Einsatz in der Praxis. Über den MQTT-Broker können andere Geräte oder Systeme wie ERP oder SQL angebunden und ins Netzwerk integriert werden.

10. Sparkplug Beispiel

Topic

Alle MQTT-Clients, die nach dem Sparkplug B Prinzip kommunizieren, nutzen die folgende MQTT-Topic Struktur:

[namespace]/[group_id]/[message_type]/[edge_node_id]/{[device_id]}

Payload

Ein Sparkplug-Payload besteht aus folgenden fünf Bestandteilen.

• Timestamp: Der Zeitstempel wird in Form einer 64-Bit Ganzzahl, die die Millisekunden angibt, dargestellt.

• Metrics: Hier werden Informationen übergeben, die beispielsweise in der Nachricht vorhandene Datentypen beschreiben.

• SEQ: Die SEQ ist die Sequenznummer. Alle Nachrichten im Sparkplug-Netzwerk werden mit einer Sequenznummer versehen und aufsteigend durchgezählt.

• UUID: UUID wird zur Darstellung eines Nachrichtenschemas genutzt. Beispielsweise ein Kodierungsmechanismus, sollte der Nachrichteninhalt kodiert sein.

• Body: Body ist der Nachrichteninhalt, der vom Nutzer individuell mit Daten gefühlt und verwendet werden kann.

Payload Beispiel

Das Sparkplug Payload wird in Binärform, im Protobuff-Format, versendet. Obwohl die Struktur einer JSON-Struktur ähnelt, handelt es sich hierbei nicht um das JSON-Format.

{
    "timestamp" : 1486144502122,
    "metrics" : [ {
        "name" : "algorithm",
        "dataType" : "String",
        "value" : "GZIP"
    } ]
    "seq" : 0,
    "uuid" : "SPBV1.0_COMPRESSED", 
    "body" : 
}