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工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)典型架構(gòu)
了解IIOT架構(gòu)，才能更好地實(shí)現(xiàn)端到端的集成，才能將邊緣/霧計(jì)算、區(qū)塊鏈、SDN、5G、機(jī)器學(xué)習(xí)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)等新興技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)IIOT的可擴(kuò)展性、互操作性、安全性、隱私性、可靠性和低延遲。
IIoT中的參考架構(gòu)獨(dú)立于特定的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn).它為系統(tǒng)的多個(gè)方面提供了結(jié)構(gòu)指導(dǎo)，包括與設(shè)備和傳感器交互的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)模型。它還為遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理功能提供了云架構(gòu)服務(wù)，并提供了關(guān)于該架構(gòu)支持哪些硬件組件的信息.來自不同組織的專家提出了參考架構(gòu)，以提供必要的結(jié)構(gòu)，并基于可用的技術(shù)轉(zhuǎn)變行業(yè)中的制造流程.三個(gè)主要的IIoT參考架構(gòu)是RAMI 4.0、IIRA和OpenFog RA，下面將詳細(xì)介紹。
1. 工業(yè)4.0的參考架構(gòu)模型
工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型(RAMI 4.0)，由德國(guó)開發(fā)，旨在通過DIN SPEC 91345:2016和IEC/PAS 63088:2017的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)制造流程和工業(yè)自動(dòng)化的現(xiàn)代化.在工業(yè)3.0中，產(chǎn)品相互隔離，功能與硬件綁定，系統(tǒng)組件跨層級(jí)交互。根據(jù)工業(yè)4.0的RAMI 4.0 RA信息，產(chǎn)品是網(wǎng)絡(luò)的一部分，功能分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，參與者可以相互通信，而不考慮系統(tǒng)層級(jí)。
在RAMI 4.0中，電子、電氣、機(jī)械和信息技術(shù)(IT)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以跨學(xué)科的方式參與部署該技術(shù)。它基于面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA ),通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在系統(tǒng)組件之間提供服務(wù)，并基于獨(dú)立的技術(shù)和產(chǎn)品將復(fù)雜的任務(wù)轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的流程
2. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)
國(guó)際工業(yè)聯(lián)盟(IIC)提供了一個(gè)通用框架架構(gòu)模型IIRA，以解決開發(fā)IIoT解決方案時(shí)對(duì)不同應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)的支持。IIRA是根據(jù)ISO/IEEE/IEC 42010標(biāo)準(zhǔn)改編的，它可以通過以下方式應(yīng)對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的變化：
增加地方合作自主權(quán):它包括提供新技術(shù)、計(jì)算能力和改進(jìn)的傳感，這將提供增強(qiáng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，并進(jìn)一步幫助創(chuàng)建自治系統(tǒng)。
通過全球協(xié)調(diào)提高系統(tǒng)優(yōu)化:它包括對(duì)收集的傳感器數(shù)據(jù)使用機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)分析，以提供關(guān)于部署系統(tǒng)的見解，用于系統(tǒng)優(yōu)化和增強(qiáng)的控制系統(tǒng)。
IIRA是一個(gè)三層系統(tǒng)架構(gòu)，包含邊緣層、平臺(tái)層和企業(yè)層。經(jīng)由無線和有線連接連接到邊緣網(wǎng)關(guān)的不同節(jié)點(diǎn)、設(shè)備、傳感器、控制系統(tǒng)和資產(chǎn)形成鄰近網(wǎng)絡(luò)。邊緣網(wǎng)關(guān)執(zhí)行設(shè)備管理和聚合，然后通過接入網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到平臺(tái)層。平臺(tái)層執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、操作和分析；然后通過服務(wù)網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到企業(yè)級(jí)。在企業(yè)層，用戶對(duì)領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)行監(jiān)控，并通過控制流流程將控制命令發(fā)送回平臺(tái)層。然后，平臺(tái)層將這些信息發(fā)送到邊緣層，以執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。
3. OpenFog參考架構(gòu)
這種架構(gòu)方便了研究人員、開發(fā)人員、設(shè)計(jì)人員和行業(yè)制造霧計(jì)算所需的組件。OpenFog提供了基于Fog即服務(wù)(FaaS)的架構(gòu)模型，通過其與SaaS、PaaS和IaaS的兼容性來解決行業(yè)實(shí)施問題。OpenFog RA在行業(yè)中有許多應(yīng)用，包括智能車輛和交通控制系統(tǒng)、智能城市、智能建筑等。它旨在提供安全性、認(rèn)知性、敏捷性、低延遲和效率。此外，OpenFog RA是基于代表實(shí)時(shí)部署的整體系統(tǒng)模型屬性的八個(gè)主要支柱形成的。透視圖突出了RA的橫切特性，而視圖則代表了分層架構(gòu)的結(jié)構(gòu)方面。視圖組件包含RA中的三個(gè)涉眾視圖，即軟件視圖、系統(tǒng)視圖和節(jié)點(diǎn)視圖。下圖顯示了OpenFog RA型號(hào)。淺綠色的垂直層是RA的透視圖，淺黃色和藍(lán)色的層突出了節(jié)點(diǎn)視圖和軟件架構(gòu)視圖，紅色邊框線下的層顯示了系統(tǒng)架構(gòu)視圖。
4. 三種框架的對(duì)比
不同組織給出的參考架構(gòu)對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)和實(shí)施有不同的方法。RAMI 4.0主要是關(guān)于從生產(chǎn)層面到企業(yè)層面的制造過程，而IIRA則是關(guān)于在部署的系統(tǒng)之間建立通信的工業(yè)過程。工業(yè)4.0平臺(tái)和IIC目前正在合作，通過將RAMI 4.0和IIRA映射在一起，提供一個(gè)通用的參考架構(gòu).RAMI 4.0通過使用網(wǎng)關(guān)在硬件和軟件之間建立通信，而IIRA則為數(shù)據(jù)的計(jì)算和存儲(chǔ)提供邊緣層。OpenFog RA是關(guān)于工業(yè)應(yīng)用中的高數(shù)據(jù)生成和處理用例。OpenFog旨在在行業(yè)中的任何垂直集成應(yīng)用中實(shí)施.特定參考架構(gòu)的選擇取決于部署系統(tǒng)的需求。
5. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全與隱私
安全性：由于物聯(lián)網(wǎng)是隨著信息技術(shù)(IT)和運(yùn)營(yíng)技術(shù)(oT)的融合而發(fā)展的，當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展帶來了新的安全挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)無法通過使用傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)安全機(jī)制來解決. IIoT中的安全攻擊大多集中在工業(yè)設(shè)備、控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)上。進(jìn)一步將對(duì)IIoT連接協(xié)議的攻擊分為五類：DoS/DDoS攻擊、信息收集、中間人攻擊、注入攻擊和惡意軟件攻擊。
隱私：“隱私是個(gè)人或團(tuán)體控制或影響與他們相關(guān)的哪些信息可以被收集、處理和存儲(chǔ)，由誰收集、處理和存儲(chǔ)，以及向誰披露這些信息的權(quán)利”.隨著異構(gòu)設(shè)備數(shù)量的不斷增加，關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)隱私問題至關(guān)重要.文獻(xiàn)中有不同的補(bǔ)救框架來解決IIoT中的安全和隱私問題。霧計(jì)算和區(qū)塊鏈都有解決IIoT中的安全和隱私問題的潛力。
文獻(xiàn)來源：
Mirani A A, Velasco-Hernandez G, Awasthi A, et al. Key Challenges and Emerging Technologies in Industrial IoT Architectures: A Review[J]. Sensors, 2022, 22(15): 5836.
了解IIOT架構(gòu)，才能更好地實(shí)現(xiàn)端到端的集成，才能將邊緣/霧計(jì)算、區(qū)塊鏈、SDN、5G、機(jī)器學(xué)習(xí)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)等新興技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)IIOT的可擴(kuò)展性、互操作性、安全性、隱私性、可靠性和低延遲。
IIoT中的參考架構(gòu)獨(dú)立于特定的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn).它為系統(tǒng)的多個(gè)方面提供了結(jié)構(gòu)指導(dǎo)，包括與設(shè)備和傳感器交互的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)模型。它還為遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理功能提供了云架構(gòu)服務(wù)，并提供了關(guān)于該架構(gòu)支持哪些硬件組件的信息.來自不同組織的專家提出了參考架構(gòu)，以提供必要的結(jié)構(gòu)，并基于可用的技術(shù)轉(zhuǎn)變行業(yè)中的制造流程.三個(gè)主要的IIoT參考架構(gòu)是RAMI 4.0、IIRA和OpenFog RA，下面將詳細(xì)介紹。
1. 工業(yè)4.0的參考架構(gòu)模型
工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型(RAMI 4.0)，由德國(guó)開發(fā)，旨在通過DIN SPEC 91345:2016和IEC/PAS 63088:2017的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)制造流程和工業(yè)自動(dòng)化的現(xiàn)代化.在工業(yè)3.0中，產(chǎn)品相互隔離，功能與硬件綁定，系統(tǒng)組件跨層級(jí)交互。根據(jù)工業(yè)4.0的RAMI 4.0 RA信息，產(chǎn)品是網(wǎng)絡(luò)的一部分，功能分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，參與者可以相互通信，而不考慮系統(tǒng)層級(jí)。
在RAMI 4.0中，電子、電氣、機(jī)械和信息技術(shù)(IT)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以跨學(xué)科的方式參與部署該技術(shù)。它基于面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA ),通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在系統(tǒng)組件之間提供服務(wù)，并基于獨(dú)立的技術(shù)和產(chǎn)品將復(fù)雜的任務(wù)轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的流程
2. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)
國(guó)際工業(yè)聯(lián)盟(IIC)提供了一個(gè)通用框架架構(gòu)模型IIRA，以解決開發(fā)IIoT解決方案時(shí)對(duì)不同應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)的支持。IIRA是根據(jù)ISO/IEEE/IEC 42010標(biāo)準(zhǔn)改編的，它可以通過以下方式應(yīng)對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的變化：
增加地方合作自主權(quán):它包括提供新技術(shù)、計(jì)算能力和改進(jìn)的傳感，這將提供增強(qiáng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，并進(jìn)一步幫助創(chuàng)建自治系統(tǒng)。
通過全球協(xié)調(diào)提高系統(tǒng)優(yōu)化:它包括對(duì)收集的傳感器數(shù)據(jù)使用機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)分析，以提供關(guān)于部署系統(tǒng)的見解，用于系統(tǒng)優(yōu)化和增強(qiáng)的控制系統(tǒng)。
IIRA是一個(gè)三層系統(tǒng)架構(gòu)，包含邊緣層、平臺(tái)層和企業(yè)層。經(jīng)由無線和有線連接連接到邊緣網(wǎng)關(guān)的不同節(jié)點(diǎn)、設(shè)備、傳感器、控制系統(tǒng)和資產(chǎn)形成鄰近網(wǎng)絡(luò)。邊緣網(wǎng)關(guān)執(zhí)行設(shè)備管理和聚合，然后通過接入網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到平臺(tái)層。平臺(tái)層執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、操作和分析；然后通過服務(wù)網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到企業(yè)級(jí)。在企業(yè)層，用戶對(duì)領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)行監(jiān)控，并通過控制流流程將控制命令發(fā)送回平臺(tái)層。然后，平臺(tái)層將這些信息發(fā)送到邊緣層，以執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。
這種架構(gòu)方便了研究人員、開發(fā)人員、設(shè)計(jì)人員和行業(yè)制造霧計(jì)算所需的組件。OpenFog提供了基于Fog即服務(wù)(FaaS)的架構(gòu)模型，通過其與SaaS、PaaS和IaaS的兼容性來解決行業(yè)實(shí)施問題。OpenFog RA在行業(yè)中有許多應(yīng)用，包括智能車輛和交通控制系統(tǒng)、智能城市、智能建筑等。它旨在提供安全性、認(rèn)知性、敏捷性、低延遲和效率。此外，OpenFog RA是基于代表實(shí)時(shí)部署的整體系統(tǒng)模型屬性的八個(gè)主要支柱形成的。透視圖突出了RA的橫切特性，而視圖則代表了分層架構(gòu)的結(jié)構(gòu)方面。視圖組件包含RA中的三個(gè)涉眾視圖，即軟件視圖、系統(tǒng)視圖和節(jié)點(diǎn)視圖。下圖顯示了OpenFog RA型號(hào)。淺綠色的垂直層是RA的透視圖，淺黃色和藍(lán)色的層突出了節(jié)點(diǎn)視圖和軟件架構(gòu)視圖，紅色邊框線下的層顯示了系統(tǒng)架構(gòu)視圖。
4. 三種框架的對(duì)比
不同組織給出的參考架構(gòu)對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)和實(shí)施有不同的方法。RAMI 4.0主要是關(guān)于從生產(chǎn)層面到企業(yè)層面的制造過程，而IIRA則是關(guān)于在部署的系統(tǒng)之間建立通信的工業(yè)過程。工業(yè)4.0平臺(tái)和IIC目前正在合作，通過將RAMI 4.0和IIRA映射在一起，提供一個(gè)通用的參考架構(gòu).RAMI 4.0通過使用網(wǎng)關(guān)在硬件和軟件之間建立通信，而IIRA則為數(shù)據(jù)的計(jì)算和存儲(chǔ)提供邊緣層。OpenFog RA是關(guān)于工業(yè)應(yīng)用中的高數(shù)據(jù)生成和處理用例。OpenFog旨在在行業(yè)中的任何垂直集成應(yīng)用中實(shí)施.特定參考架構(gòu)的選擇取決于部署系統(tǒng)的需求。
5. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全與隱私
安全性：由于物聯(lián)網(wǎng)是隨著信息技術(shù)(IT)和運(yùn)營(yíng)技術(shù)(oT)的融合而發(fā)展的，當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展帶來了新的安全挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)無法通過使用傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)安全機(jī)制來解決. IIoT中的安全攻擊大多集中在工業(yè)設(shè)備、控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)上。進(jìn)一步將對(duì)IIoT連接協(xié)議的攻擊分為五類：DoS/DDoS攻擊、信息收集、中間人攻擊、注入攻擊和惡意軟件攻擊。
隱私：“隱私是個(gè)人或團(tuán)體控制或影響與他們相關(guān)的哪些信息可以被收集、處理和存儲(chǔ)，由誰收集、處理和存儲(chǔ)，以及向誰披露這些信息的權(quán)利”.隨著異構(gòu)設(shè)備數(shù)量的不斷增加，關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)隱私問題至關(guān)重要.文獻(xiàn)中有不同的補(bǔ)救框架來解決IIoT中的安全和隱私問題。霧計(jì)算和區(qū)塊鏈都有解決IIoT中的安全和隱私問題的潛力。
文獻(xiàn)來源：
Mirani A A, Velasco-Hernandez G, Awasthi A, et al. Key Challenges and Emerging Technologies in Industrial IoT Architectures: A Review[J]. Sensors, 2022, 22(15): 5836.
