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作者：上海工業(yè)自動化儀表研究院，PLCopen中國組織 彭瑜

摘要：泛在聯(lián)接性是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中各種參與組件之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的一種基礎(chǔ)技術(shù)。目前，IIoT領(lǐng)域中存在許多專有聯(lián)接性技術(shù)，雖然在各自應(yīng)用范圍內(nèi)內(nèi)相當優(yōu)化，但是對于建立新的價值空間，以及打開全球的IIoT市場而言，卻在數(shù)據(jù)共享、設(shè)計、架構(gòu)乃至通信諸方面是一種障礙。本文重點闡述工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接性架構(gòu)的主要內(nèi)容，即工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的通信模型、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)中聯(lián)接性功能要求、聯(lián)接傳輸層和聯(lián)接框架層的任務(wù)和范圍、聯(lián)接框架層和聯(lián)接傳輸層的核心任務(wù)、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟IIC推薦的聯(lián)接框架層的核心標準。并重點概述作為核心標準之一的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)DDS，及其在德國工業(yè)4.0中應(yīng)用的適用性。

關(guān)鍵詞：泛在聯(lián)通性；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；核心聯(lián)通標準；數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)；工業(yè)4.0的通信

Abstract: Ubiquitous connectivity is one of the foundational technologies that enables data sharing among participating components of an Industrial Internet of Things (IIoT) system. Even though there are many proprietary connectivity technologies optimized for a specific domain, the sharing of data, design, architecture, and communication are still obstacles that restricts creating new value streams and unlocking the potential of a global IIoT marketplace.

This paper focused on the main issues of connectivity architecture for IIoT , i.e., the communication model of IIoT, the functional requirements in industrial internet reference architecture, the roles and scope of connectivity transport layer and connectivity framework layer, and the core standards of connectivity framework layer recommended by Industrial Internet Consortium U.S.A.. At last, a brief introduction of DDS(Data Distribution Service), which is one of core connectivity framework layer standards, and a detailed discussion of the applicability of DDS in Industry4.0 are presented.

Key words: Ubiquitous connectivity; Industrial internet; Core connectivity standards; Data distribution service; Communication for industry 4.0

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT的領(lǐng)導聯(lián)盟由美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟IIC和德國Industrie 4.0（I4.0）平臺組成。IIC建立了一種跨工業(yè)行業(yè)的技術(shù)架構(gòu)，而工業(yè)4.0著重于制造業(yè)，但超越了技術(shù)架構(gòu)，介入了供應(yīng)鏈和產(chǎn)品生命周期。這些目標和架構(gòu)都是互補的，而且這兩個組織正在共同繪制今后工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之間實現(xiàn)和發(fā)展可互操作性的設(shè)計藍圖，如圖1所示。

圖1 建立工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)間的可互操作性

1 什么是泛在聯(lián)接性？

泛在聯(lián)接性是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT系統(tǒng)中各種參與組件之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的一種基礎(chǔ)技術(shù)。聯(lián)接性為聯(lián)接參與者之間，提供功能域內(nèi)、系統(tǒng)內(nèi)跨功能域，以及跨系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換的能力。這些數(shù)據(jù)交換包括傳感器的數(shù)據(jù)刷新、事件、報警、狀態(tài)變化、命令以及組態(tài)刷新。簡言之，聯(lián)接性是跨功能域（由工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)所定義）的橫向交互功能，具體如圖2所示。

圖2 聯(lián)接性是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)各功能域間的橫向交互功能

圖中綠色箭頭：數(shù)據(jù)/信息流；灰白色箭頭：決策流；紅色箭頭：命令/請求流。功能域有：控制功能域，信息功能域，應(yīng)用功能域，操作運營功能域和業(yè)務(wù)功能域。

目前，IIoT領(lǐng)域中充斥著各種各樣的專有聯(lián)接性技術(shù)，并且擁有一些在垂直集成系統(tǒng)中針對較小的特定范圍的應(yīng)用案例及優(yōu)化標準。這聯(lián)接技術(shù)雖然在各自應(yīng)用范圍內(nèi)還是相當優(yōu)化的，但是對于建立新的價值空間，以及打開全球的IIoT市場而言，卻在數(shù)據(jù)共享、設(shè)計、架構(gòu)乃至通信諸方面是一種障礙。IIoT聯(lián)接性的首要目的是要讓這些相互隔離的孤立系統(tǒng)的數(shù)據(jù)開放流動，使得這些封閉的組件和子系統(tǒng)之間能夠共享數(shù)據(jù)和實現(xiàn)可互操作性，以至在各種行業(yè)內(nèi)和各種跨行業(yè)中的新型和新興的生態(tài)應(yīng)用，得以形成和發(fā)展。

我們需要建立廣泛領(lǐng)域的IIoT的聯(lián)接性。通過定義IIoT聯(lián)接性的堆疊模型和開放的聯(lián)接性參考架構(gòu)，使從事IIoT的各個利益攸關(guān)者，對手頭正在開發(fā)和應(yīng)用的聯(lián)接性技術(shù)的適用性進行分類、評估和確認。

2 IIoT工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的通信模型
由于歷史發(fā)展的局限，經(jīng)典的開放系統(tǒng)互連OSI 7層模型和互聯(lián)網(wǎng)4層模型都不能準確地描述工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接性的要求。毫無疑問，IIoT是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個關(guān)鍵的基礎(chǔ)。IIoT系統(tǒng)要求用一個新的聯(lián)接性功能層模型來著重表達分布式的傳感器、控制器、網(wǎng)關(guān)、各種設(shè)備和器件，以及分布式系統(tǒng)的其它應(yīng)用組成。當然，這一模型還是以O(shè)SI模型和互聯(lián)網(wǎng)模型為參考，按照新的要求提出了聯(lián)網(wǎng)（物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層）、聯(lián)接性（傳輸層、框架層）和信息三大功能共6層的通信模型，又稱為IIoT聯(lián)接性堆疊模型，作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA內(nèi)的橫向交互功能的聯(lián)接性范圍，如圖3所示。

圖3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT通信的6層模型

IIoT系統(tǒng)的可互操作性層呈沙漏形狀（見圖4）。其上頂部是一個寬泛的數(shù)據(jù)模型譜系，以及針對特定垂直行業(yè)的功能；頸部通常用于跨垂直行業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)層。聯(lián)通性提供基本的數(shù)據(jù)共享機制，支持諸如分布式數(shù)據(jù)可互操作性和管理這樣的高級功能，作為實現(xiàn)語法可互操作性（注意：不是語義可互操作性）的橫向交互功能。沙漏頸部是IIoT中“互聯(lián)網(wǎng)”的起點。鑒于頸部上面的聯(lián)接層目前尚沒有被充分認識和理解，所以，為了構(gòu)建IIoT系統(tǒng)，要側(cè)重考慮和研究“互聯(lián)網(wǎng)”聯(lián)網(wǎng)層上面的聯(lián)接功能。

圖4 IIoT聯(lián)接性堆疊模型

圖5 IIoT系統(tǒng)的聯(lián)接性堆疊模型的功能性

圖5表示IIoT聯(lián)接性堆疊模型，以及聯(lián)接功能性的范圍，作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA中的橫向交互功能。聯(lián)通功能性為IIoT系統(tǒng)中在同一功能域內(nèi)的參與者之間和在跨功能域的參與者之間，提供數(shù)據(jù)共享的機制。由圖5可見，最底層為物理層，用物理介質(zhì)（有線、無線）連接網(wǎng)絡(luò)的所有參與者，并進行以“位”（bit）為特征的物理信號（電信號、光信號或其它）的傳輸。其上為鏈接層，用于相鄰參與者之間共享物理鏈接，并通過信號傳輸協(xié)議進行以“幀”為特征的交換。再上面是網(wǎng)絡(luò)層，進行以有限長度的“數(shù)據(jù)包”為特征的交換，可能在非相鄰（遠程）參與者之間進行多鏈接路由通信。再往上是傳輸層，是在參與者應(yīng)用程序之間進行不同長度的通信報文的通信。其上是框架層，是指為參與者應(yīng)用程序之間提供可組態(tài)的有服務(wù)質(zhì)量QoS的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（狀態(tài)、事件、數(shù)據(jù)流）交換。再上面已超出聯(lián)接的范圍，是分布式數(shù)據(jù)可互操作性和管理層橫向交互的功能，依賴于聯(lián)接框架層提供的有具體物理意義的信息共享。

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)中聯(lián)接性功能要求

IIRA中聯(lián)接性在整個架構(gòu)中的任務(wù)是支持參與互聯(lián)的系統(tǒng)中各端點之間進行數(shù)據(jù)交換。舉例說，信息包括傳感器刷新、遠傳數(shù)據(jù)、控制命令、報警、事件、狀態(tài)變化或組態(tài)更新和按時間記錄的數(shù)據(jù)等等。基本上聯(lián)接的任務(wù)就是在端點之間提供可互操作的通信，以保證各種組件的集成。不過聯(lián)接性功能的目標是，為參與聯(lián)接的端點間提供語法的可互操作性。

通信中的可互操作性有不同的抽象級別：從客戶集成，到基于開放型標準的即插即用。按維基百科，可互操作性通常分類如下:

技術(shù)可互操作性，是指交換以位和字節(jié)表現(xiàn)的信息的能力。這建立在信息交換的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在，同時以基礎(chǔ)架構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議都有明確定義為前提。

語法可互操作性，是指交換以通常的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的信息的能力。這建立在已經(jīng)使用構(gòu)造數(shù)據(jù)的公用協(xié)議，且以信息交換的結(jié)構(gòu)已經(jīng)明確定義為前提。語法可互操作性必須建立在技術(shù)可互操作性已經(jīng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)上。
語義可互操作性，是指在適當?shù)乃o出的信息解釋的上下文條件下（即語境）進行交換數(shù)據(jù)含義的能力。語義可互操作性以語法可互操作性已經(jīng)建立為前提。

4 聯(lián)接傳輸層和聯(lián)接框架層的任務(wù)和范圍

對于IIoT系統(tǒng)，聯(lián)接功能性有兩個功能層：聯(lián)接傳輸層和聯(lián)接框架層。前者提供端點間傳輸數(shù)據(jù)的方法和手段；在數(shù)據(jù)交換中它實現(xiàn)端點之間的技術(shù)可互操作性。此功能對應(yīng)于OSI7層模型的第4層傳輸層，或?qū)?yīng)于互聯(lián)網(wǎng)模型的傳輸層。聯(lián)接框架層為被交換的數(shù)據(jù)以共同而明確的數(shù)據(jù)格式進行結(jié)構(gòu)化，且與端點的實現(xiàn)無關(guān)，與硬件和編程平臺解耦；它提供端點之間實現(xiàn)語法可互操作性的機制。在此聯(lián)接框架層中，“公共數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是指被交換的數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)或模式。例如，我們所熟悉的編程語言中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫的模式。聯(lián)接框架的功能對應(yīng)OSI7層模型中的第5層（會話層）至第7層（應(yīng)用層），或互聯(lián)網(wǎng)模型的應(yīng)用層。IIoT的聯(lián)接性功能層的任務(wù)和范圍如表1所示。

在分布式數(shù)據(jù)可互操作性和管理功能中的數(shù)據(jù)服務(wù)框架，建立在由聯(lián)接框架層提供的語法可互操作性的基礎(chǔ)上；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)的動態(tài)合成和協(xié)調(diào)功能，進一步要求語義可互操作性。

聯(lián)接框架層在信息交換中為參與的端點提供邏輯數(shù)據(jù)交換服務(wù)。在此層可觀察和“理解”數(shù)據(jù)交換，同時運用相關(guān)知識來優(yōu)化數(shù)據(jù)的傳送。它是位于聯(lián)接傳輸層上部的邏輯功能層，而且并不需要知曉實現(xiàn)聯(lián)接傳輸層的技術(shù)。聯(lián)接框架層為端點間提供語法可互操作性，所交換的數(shù)據(jù)其結(jié)構(gòu)化具有共同而明確的數(shù)據(jù)格式，與端點的實現(xiàn)無關(guān)，而且與硬件和編程平臺解耦。與端點后面的應(yīng)用邏輯有關(guān)，可能要求一個或多個數(shù)據(jù)交換的模式，其中有兩個主要的數(shù)據(jù)交換模式：發(fā)布——訂閱和請求——響應(yīng)。

聯(lián)接框架層的關(guān)鍵利益是將不同功能的實現(xiàn)加以抽象和隱藏，這樣在聯(lián)接框架中所使用的應(yīng)用軟件無需了解實現(xiàn)的具體方法，而是直接利用聯(lián)通框架層的功能。這樣既減少了開發(fā)成本，又提高了生產(chǎn)能力和質(zhì)量。

表1 IIoT聯(lián)接性功能層的任務(wù)和范圍

5 聯(lián)接框架層和聯(lián)接傳輸層的核心任務(wù)

聯(lián)接框架層的核心功能包括數(shù)據(jù)資源模型、發(fā)布-訂閱和請求-響應(yīng)交換機制、數(shù)據(jù)的服務(wù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)的信息安全和可編程API等。具體如圖6所示。

圖6 聯(lián)接框架層的核心功能

聯(lián)接傳輸層為端點連接提供邏輯傳輸網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)接傳輸類似一個在端點之間執(zhí)行數(shù)據(jù)流動的不透明管道。聯(lián)通傳輸層的關(guān)鍵任務(wù)是為端點之間提供技術(shù)可互操作性。聯(lián)通傳輸?shù)暮诵墓δ馨ǎ憾它c尋址、通信模式、網(wǎng)絡(luò)拓撲、連通性、優(yōu)先管理、時序和同步，以及消息安全。圖7概述了聯(lián)接傳輸層的核心功能。

圖7 聯(lián)接傳輸層的核心功能

6 聯(lián)接框架層的核心標準
IIoT聯(lián)接框架層標準給出原來主要是用于相關(guān)垂直行業(yè)的聯(lián)接標準（如oneM2M用于電訊行業(yè), OPC-UA用于制造業(yè)），為那些行業(yè)提供了賦能的技術(shù)特性，也為許多其它行業(yè)提供應(yīng)用服務(wù)。另外的聯(lián)接標準（例如DDS和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)），原來是為通用的、非特定行業(yè)的應(yīng)用服務(wù)，顯然也可以用于很多其它行業(yè)的許多不同類型的應(yīng)用服務(wù)。傳輸層是專為框架層服務(wù)的，在框架層與傳輸層之間沒有任意其它功能空間。

圖8 IIoT系統(tǒng)聯(lián)接性標準

傳輸層與框架層的區(qū)別很重要。傳輸層一定要與一種數(shù)據(jù)類型系統(tǒng)相配對，例如MQTT可與一種數(shù)據(jù)類型系統(tǒng)技術(shù)如由Google開發(fā)的protocol buffers相配對，同時可用來建立一種專用用戶的聯(lián)接性框架。

顯然，目前可供選用的聯(lián)接性標準沒有一個能全面滿足IIoT系統(tǒng)的要求，能夠完成由高速運動的機器人生產(chǎn)線、離散制造業(yè)、過程控制系統(tǒng)等各種類型的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流通和連接，為萬物互聯(lián)及人與物互聯(lián)的超大規(guī)模系統(tǒng)提供無懈可擊的聯(lián)接性。為此需要選擇若干個標準構(gòu)成核心標準，構(gòu)成一個相互補充的聯(lián)接性標準簇。但這個標準簇又不能超過3到4個標準，否則，要為這些標準之間建立核心網(wǎng)關(guān)的數(shù)量過多，而使數(shù)據(jù)的及時流動和實時流動變得不切實際和不可實現(xiàn)。

圖8概述了IIoT聯(lián)接框架層和傳輸層的核心標準。由圖可知，聯(lián)接框架層的核心標準有4個，其中1個是源于通用的WEB服務(wù)HTTP；1個是除美國以外其他國家工業(yè)界很少采用的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)DDS；另外2個則是來源于某些垂直行業(yè)的特定應(yīng)用，但顯然也可以推廣到許多行業(yè)，乃至跨行業(yè)的應(yīng)用，即流行于制造業(yè)的OPCUA和由電信行業(yè)開發(fā)、目前主要用于家居自動化的oneM2M。DDS和OPCUA定義了自己的傳輸協(xié)議，而Web服務(wù)和oneM2M則依賴于通用的傳輸協(xié)議。為完整的表達，圖中還示出網(wǎng)絡(luò)IP層和更低的鏈路層和物理層的各種協(xié)議。運用HTTP的Web服務(wù)被稱之為專為應(yīng)用程序使用的聯(lián)接框架，主要用于人類用戶互動的接口。

表2 IIoT聯(lián)接性框架核心標準的判據(jù)表

選擇核心標準的主要依據(jù)共10項，在表2中已清晰概述。其中前5項是必須具備的關(guān)鍵判據(jù)，只要有一項不符要求就不能選用。

7 以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)的優(yōu)勢

相對于以平臺為中心或以網(wǎng)絡(luò)為中心的信息管理系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)為中心的信息管理系統(tǒng)，可以在系統(tǒng)資源受到諸多限制（例如通信帶寬受限、聯(lián)接性可能處于時斷時續(xù)的間歇狀態(tài)、連接存在噪聲、處理和存貯能力有限等），經(jīng)常出現(xiàn)未曾預計的工作流，以及經(jīng)常發(fā)生動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓撲和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的變化等情況下，仍能盡可能的保持信息管理系統(tǒng)的正常運行。這就是為什么美國國防部的戰(zhàn)術(shù)信息管理系統(tǒng)，在歷經(jīng)以平臺為中心和以網(wǎng)絡(luò)為中心等多種解決方案后，選定以數(shù)據(jù)為中心的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)DDS，并獲得滿意的運行效果。除了上述原因之外，以平臺為中心的系統(tǒng)一旦發(fā)生小的變化或缺少了任意一種資源，就會使整個系統(tǒng)癱瘓；以網(wǎng)絡(luò)為中心的系統(tǒng)本質(zhì)上是一種“事后諸葛亮”的系統(tǒng)，系統(tǒng)小有變化就會使系統(tǒng)性能顯著變差。

用以數(shù)據(jù)為中心通信傳輸?shù)男畔⒖梢赃M一步分類為：信號、流和狀態(tài)。信號表示連續(xù)變化的數(shù)據(jù)（例如傳感器的讀數(shù)），信號通常進行盡最大的努力的發(fā)送。流數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)對象以快速方式記錄的值，而這些值必須在前面同樣以快速方式記錄下來的那些值的前后關(guān)系或關(guān)連中予以解釋。狀態(tài)表示一組對象（或系統(tǒng)）的狀態(tài)，被編成一組數(shù)據(jù)屬性（或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）的最新值。一個對象的狀態(tài)并沒有必要隨任意固定的周期而變化。狀態(tài)的快速變化可能就在一個長時間間隔沒有變化之后突然發(fā)生。狀態(tài)數(shù)據(jù)的訂閱者一般都是關(guān)心最新的狀態(tài)。但是，當狀態(tài)長時間可能沒有變化時，系統(tǒng)仍需確保最新狀態(tài)能可靠地傳送。換句話說，若某狀態(tài)值被丟失，不能保證總會接收到，系統(tǒng)一直等待其值再次發(fā)生變化，直到準確被接收為止。

8 數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)DDS簡述

數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)DDS是美國OMG集團管理的一個基于發(fā)布/訂閱（pub/sub）聯(lián)接性標準。正如圖9所示，它是一個通過全局數(shù)據(jù)的存貯方式，溝通處于高度分散分布的數(shù)據(jù)發(fā)布和數(shù)據(jù)訂閱之間的高質(zhì)量傳遞和發(fā)送。

圖9 基于全局數(shù)據(jù)存貯的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)

創(chuàng)立DDS的關(guān)鍵抽象是全分布的全局數(shù)據(jù)空間。在DDS規(guī)范中，要求實現(xiàn)全局數(shù)據(jù)空間必須是全分布式的，以避免引入單點故障或單點瓶頸。全局數(shù)據(jù)空間執(zhí)行對發(fā)布者和訂閱者的動態(tài)發(fā)現(xiàn)，不依賴于任意種類的集中注冊（有些其它的pub/sub技術(shù)例如JMS，就是如此）。由于發(fā)布者和訂閱者都是可以被動態(tài)發(fā)現(xiàn)的，所以它們可在任意點及時地參加或退出全局數(shù)據(jù)空間。全局數(shù)據(jù)空間也可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用程序所定義的數(shù)據(jù)類型，并且將發(fā)現(xiàn)的這些數(shù)據(jù)類型加以傳送，就如這是發(fā)現(xiàn)過程的一部分。在本質(zhì)上當我們利用一個具有自動發(fā)現(xiàn)的全局數(shù)據(jù)空間的系統(tǒng)時，不需要對任何事項進行組態(tài)。任意參與者都會被自動發(fā)現(xiàn)，在被發(fā)現(xiàn)的同時，數(shù)據(jù)也開始流動。再者，由于全局數(shù)據(jù)空間是全分布式的，人們不必擔心某個服務(wù)器引發(fā)的未知原因，會影響系統(tǒng)的可用性。在DDS系統(tǒng)中不存在單點故障的問題，盡管應(yīng)用程序會被沖擊和重啟，或者連接/斷開，系統(tǒng)仍然在連續(xù)運行。

由于DDS只規(guī)定了兩個層次（如圖10所示），在制定規(guī)范時充分考慮性能/效率兩者的平衡，且運行開銷較少，所以運行高效，性能上佳。對于動態(tài)的變化，它通過元事件（mata-events）進行檢測。DDS還按照美國國防部戰(zhàn)術(shù)信息管理系統(tǒng)的要求，規(guī)定了QoS的策略。例如，通過建立約定，可在多系統(tǒng)各層級中精確規(guī)定不同的QoS策略，這些策略可以在很大范圍內(nèi)變化，以適應(yīng)不同系統(tǒng)、不同層級的通信質(zhì)量保證的要求。DDS還盡可能將處理靠近數(shù)據(jù)（邊緣計算概念的體現(xiàn)），而不是集中處理。DDS通過解耦提供靈活、高性能和模塊化的結(jié)構(gòu)：發(fā)布者/訂閱者為匿名的，在通信中它們的位置無關(guān)緊要；數(shù)據(jù)的讀取者和寫入者的數(shù)量可以是任意的，不加限制；在異步、連接斷開、對時間敏感實時性要求很高、系統(tǒng)的規(guī)模擴充或縮小的情況下，QoS保證分布式數(shù)據(jù)的可靠分發(fā)；不依賴于平臺和協(xié)議，便于移植，且具有可互操作的特性。

圖10 DDS的架構(gòu)

在DDS的架構(gòu)中，處于底層的是以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱層（DCPS），其底層的API應(yīng)用程序可按所規(guī)定的QoS策略，與其它DDS使能的應(yīng)用程序進行主題數(shù)據(jù)交換。處于上層的數(shù)據(jù)本地重構(gòu)層（DLRL），其API定義如何構(gòu)建本地對象的高速緩沖存貯（cache），使應(yīng)用程序可以存取主題數(shù)據(jù)，就如這些數(shù)據(jù)不在遠程而在本地那樣。DDS規(guī)范只定義策略和應(yīng)用程序與服務(wù)之間的接口，并不考慮實現(xiàn)服務(wù)的不同參與者的通信協(xié)議和技術(shù)方法；也不關(guān)心DDS內(nèi)部資源的管理。

2017年數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)DDS被IIC選定為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT應(yīng)用的聯(lián)接框架核心標準，一般用于控制、工業(yè)應(yīng)用、信息和操作運行范圍。其主要目的是將組件（設(shè)備、網(wǎng)關(guān)或應(yīng)用程序）與其它組件連接，使之成為實時系統(tǒng)和系統(tǒng)中的系統(tǒng)（SoS）。組件互動于一個分享的數(shù)據(jù)空間，而從不相互直接互動。因此也可稱為以數(shù)據(jù)為中心的中間件標準。DDS通過一關(guān)系數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)直接的組件-數(shù)據(jù)-組件的通信。DDS也被稱為數(shù)據(jù)總線，因為它模擬數(shù)據(jù)庫中在移動的數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)庫只是管理存儲于其中而非流動中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)總線都是實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的抽象；但它們的應(yīng)用并不直接相互作用，而是互動于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中。與數(shù)據(jù)庫不同的是，數(shù)據(jù)庫將已產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲，為以后用所存儲數(shù)據(jù)的有關(guān)屬性進行搜索。而數(shù)據(jù)總線通過數(shù)據(jù)屬性過濾參與通信的數(shù)據(jù)，管理正在發(fā)生和將要發(fā)生的數(shù)據(jù)。以數(shù)據(jù)為中心使數(shù)據(jù)庫本質(zhì)上是個大型的存儲系統(tǒng)；以數(shù)據(jù)為中心使數(shù)據(jù)總線，已經(jīng)成為IIoT軟件集成和自治運行的一種基本技術(shù)。

類似于對存儲數(shù)據(jù)進行存取控制的方法，數(shù)據(jù)總線用許多同時發(fā)生的組件控制數(shù)據(jù)存取和刷新。其核心是DDS圍繞以數(shù)據(jù)為中心構(gòu)建了發(fā)布-預訂的數(shù)據(jù)交換機制。但是標準還定義了請求-應(yīng)答的數(shù)據(jù)交換機制。關(guān)鍵的抽象是各個應(yīng)用程序使用數(shù)據(jù)總線本身進行互動，而不是讓應(yīng)用程序直接與其它的參與應(yīng)用程序進行互動。DDS提供精確的以數(shù)據(jù)為中心的服務(wù)質(zhì)量QoS，包括可靠的多播，可組態(tài)的傳送，多種級別的數(shù)據(jù)持續(xù)時間，歷史數(shù)據(jù)，組件和傳輸冗余自動發(fā)現(xiàn)，聯(lián)接管理，以及無須知曉傳輸細節(jié)、以數(shù)據(jù)為中心的傳輸信息安全。此外，一對多、多對一的通信是其很突出的特點。DDS提供有力的方法過濾和精確選擇什么數(shù)據(jù)送到哪里，而這個“哪里”的目標可以是幾千個同時發(fā)生的組件。為了支持小的邊緣設(shè)備，有一個輕量級別的DDS版本，可運行在有限制的嵌入式環(huán)境中。DDS數(shù)據(jù)總線保證超可靠的運行，并且簡化了用于程序的編碼。它不要求服務(wù)，極容易組態(tài)和操作，因而消除了故障點和阻塞點。一個基于DDS的系統(tǒng)不存在組件之間的應(yīng)用編碼互動。DDS自動發(fā)現(xiàn)和連接正在發(fā)布和正在接收的組件，有新的組件（如智能機械）加入系統(tǒng)不必進行組態(tài)變更。組件可以自行開發(fā)，或由獨立的第三方提供。DDS克服了點對點系統(tǒng)存在的問題，諸如缺乏可擴展的性能，缺乏可互操作性，以及逐漸演進發(fā)展架構(gòu)的能力。它具有即插即用的簡單性、可擴展性和特別好的實時性能。

概括地說，通過DDS的基礎(chǔ)架構(gòu)（如圖11所示）使得各種不同類型的設(shè)備、應(yīng)用程序或路由器相互之間，能夠進行由QoS保證的通信。

圖11 DDS的基礎(chǔ)架構(gòu)

自從2004年OMG采用DDS標準之后，用了不到6年的時間就成功地確立了在分布式大數(shù)據(jù)的發(fā)布/訂閱技術(shù)方面不可動搖的地位，應(yīng)用到包括雷達信號處理、無人機飛行和著陸、空中交通控制管理、大規(guī)模監(jiān)控系統(tǒng)、自動股票和股票期權(quán)交易等多種商業(yè)領(lǐng)域。而且被一些重要的行政管理機構(gòu)（如美國海軍、美國國防部信息技術(shù)標準注冊機構(gòu)等）推薦為實時數(shù)據(jù)分發(fā)的技術(shù)方法。此后，由于其靈活性、可靠性以及快速構(gòu)建復雜系統(tǒng)或?qū)崟r系統(tǒng)，DDS通常用來進行系統(tǒng)集成和構(gòu)建自治系統(tǒng)。總之，DDS是一種經(jīng)過驗證的高可靠、高性能的構(gòu)建大規(guī)模跨垂直行業(yè)的IIoT軟件系統(tǒng)的技術(shù)。運用DDS的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用包括農(nóng)田、醫(yī)院醫(yī)療集團、醫(yī)療保險、自動駕駛飛機和汽車、鐵路、資產(chǎn)跟蹤、自動測試、智慧城市、通信、數(shù)據(jù)中心切換、視頻共享、消費電子、石油和天然氣開采、廣播電視、空中交通控制、航空電子技術(shù)、SCADA、機器人以及國防。

9 從一個典型例子看DDS過濾數(shù)據(jù)的強大能力

在一個區(qū)域同時有一萬部汽車在行駛。系統(tǒng)需要捕捉在200m范圍內(nèi)以10m/s的速度向某一目標運動的汽車的行駛軌跡。在該區(qū)域內(nèi)所有可能路徑均布置有位置傳感器，如果傳感器每秒刷新1000次，要求每刷新5次時把汽車的位置發(fā)送給系統(tǒng)。也就是說，每個傳感器必須能夠存儲600個老的采樣值（每秒采集200個位置數(shù)據(jù)，連續(xù)采集3秒的數(shù)據(jù)存入傳感器的緩沖存儲區(qū)）。假設(shè)每秒鐘這10000部汽車的位置被傳感器檢測1000次，但僅僅有3部汽車在200米范圍內(nèi)，那么系統(tǒng)將會從10000×1000＝10000000個采樣來發(fā)現(xiàn)3×200=600個采樣數(shù)據(jù)。設(shè)想為此系統(tǒng)要付出什么樣的代價。

如果在有一個應(yīng)用程序中能精確地接收所關(guān)注的600個采樣值，而且信息的流量率和可靠性是有保證的，我們只需采用像DDS這樣的的數(shù)據(jù)總線，在源頭上從10×106個數(shù)據(jù)中過濾出600個符合約束條件的數(shù)據(jù)，這樣總的數(shù)據(jù)流減少99.994%。

10 DDS是如何實現(xiàn)這種高效的數(shù)據(jù)傳送呢？

由圖12可以知道，DDS通過主題Topic將發(fā)布者和訂閱者加以連接。主題是：為設(shè)定目的而采集的相關(guān)給定數(shù)據(jù)類型的所有“實例”，用于提供基于內(nèi)容的訂閱。主題包括主題名和類型。主題在域中必須是唯一的。不同的主題可以有相同的類型。多主題對應(yīng)于SQL的join，內(nèi)容過濾主題對應(yīng)于SQL的select。可以調(diào)用ContentFilteredTopic和MultiTopic，來控制訂閱的范圍。還可以通過鑰匙key可進一步定義，縮小數(shù)據(jù)目標，如對需要建模的動態(tài)目標（例如跟蹤）；還可顯著減少系統(tǒng)的規(guī)模（見上述過濾的例子）；用于可靠的多送一（即報警主題）。

用另外的一種表述，我們可以理解為，在DDS中主題就是數(shù)據(jù)由發(fā)布者流向訂閱者的載體，表示一個信息單元可以被產(chǎn)生或被使用。主題由類型、唯一的名稱和一組QoS策略三項定義而成，QoS策略用來控制與主題相關(guān)聯(lián)的非功能特性。主題類型可用OMG的IDL（接口描述語言）標準的子集來表示，它用不支持任意類型的限制來定義struct類型。結(jié)構(gòu)的嵌套也是允許的。

圖12 DDS定義的主題、類型和鑰匙

在定義主題類型中有主題鑰匙，可以選擇一個或多個數(shù)據(jù)元素作為該類型的鑰匙。DDS將利用這個鑰匙對傳入的數(shù)據(jù)分類。通過規(guī)定一個數(shù)據(jù)元素作為鑰匙，應(yīng)用程序可以檢索來自DDS的數(shù)據(jù)，使其與一個特定的鑰匙匹配，或者與一序列鑰匙中的下一個鑰匙匹配。持有鑰匙將這些數(shù)據(jù)容器被定義為一個實例。鑰匙提供了可擴可縮的特性。如果一個應(yīng)用程序有多個據(jù)有相同鑰匙相同主題的發(fā)布者，這使該應(yīng)用程序提供某個主題的冗余。通過設(shè)定QoS的參數(shù)Ownership和Ownership Strength建立冗余。

11 DDS的QoS策略

DDS通過設(shè)定QoS策略的設(shè)定，可在很大范圍內(nèi)提供非功能特性（如數(shù)據(jù)的可用性、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)的時效和資源利用）的明確選擇。圖13給出DDS中可用的QoS設(shè)定策略表。對于傳統(tǒng)系統(tǒng)，這些策略控制關(guān)鍵的數(shù)據(jù)非功能特性；而對于SoS則是絕對必要的。每個DDS實體（如一個主題，數(shù)據(jù)讀取者和數(shù)據(jù)寫入者等）都可以使用所提供的QoS策略的一個子集。這些控制端到端特性的策略可考慮作為訂閱匹配的一部分。DDS訂閱要匹配主題類型和名稱，以及匹配由數(shù)據(jù)讀取者和數(shù)據(jù)寫入者提供/請求的QoS策略。DDS所提供的這種匹配機制確保了端到端的數(shù)據(jù)類型保持一致，同時也保持了端到端的QoS策略。

圖13 DDS的QoS策略概貌表

以下介紹主要的幾種DDS的QoS策略：數(shù)據(jù)的可用性（Data availability），數(shù)據(jù)傳送（Datadelivery），數(shù)據(jù)的時效（Data timeliness），資源（Resources）以及組態(tài)（Configuration）。

（1）數(shù)據(jù)可用性。DDS的數(shù)據(jù)可用性策略用來控制域的參與者其使用數(shù)據(jù)的可用性，在時間和空間上為應(yīng)用程序持續(xù)解耦；也使得在高度動態(tài)的環(huán)境下（其特征是不斷有發(fā)布者/訂閱者加入和退出），這些應(yīng)用程序還能夠正常運行。（2）數(shù)據(jù)傳送。DDS提供QoS策略來控制數(shù)據(jù)如何傳送，以及發(fā)布者可以如何聲明其對數(shù)據(jù)刷新的獨有的權(quán)利。這些DDS的數(shù)據(jù)傳送QoS策略控制數(shù)據(jù)的可靠性和可用性，使得有關(guān)的正確數(shù)據(jù)能在正確的時間傳送到正確的目標節(jié)點。更靈巧的選擇數(shù)據(jù)的方法是由DDS提供的內(nèi)容檢測的方法，允許應(yīng)用程序可以選擇基于感興趣的或與所需要的內(nèi)容有關(guān)的信息進行傳送。這些QoS策略在SoS（系統(tǒng)的系統(tǒng)）中尤其有用，因為它們可用來精確而真實地傳送所要傳送的數(shù)據(jù)，不僅限制所用的資源的數(shù)量，而且還可以通過獨立的數(shù)據(jù)流使干擾的程度最小化。（3）數(shù)據(jù)的時效。DDS提供QoS策略來控制分布式數(shù)據(jù)的時間特性，有助于以一種適時的手段確保以任務(wù)為關(guān)鍵（mission-critical）的信息所需要的重構(gòu)共享運行的場景，還提供控制數(shù)據(jù)的暫存特性。這些特性在SoS中特別有用，因為這些策略可以用來定義和控制各種不同的子系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的需要暫存的時間，以確保帶寬的優(yōu)化利用。（4）資源。DDS定義QoS策略控制網(wǎng)絡(luò)和計算機的資源能力，來滿足數(shù)據(jù)傳送的要求。QoS策略支持不同單元和操作場景構(gòu)成以網(wǎng)絡(luò)為中心的mission-critical的信息管理。通過這些QoS策略來規(guī)劃和控制從最低端的嵌入式系統(tǒng)與窄帶寬、且噪聲大的無線鏈接，到高端的服務(wù)器與高速的光纖鏈接。這些DDS資源QoS策略提供控制就地資源和端到端的資源（諸如存貯空間和網(wǎng)絡(luò)帶寬）。這些特性尤其在SoS中很有用處，因為它們由大型異構(gòu)的子系統(tǒng)、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈接所形成的特征，通常要求通過減少采樣以及對所用的資源的數(shù)量進行整體的可控限制。（5）組態(tài)。DDS提供定義和用戶指定的自動引導信息的QoS策略。這些可進行組態(tài)的DDS的QoS策略，對在SoS中運行引導和組態(tài)應(yīng)用提供有用的機制，提供一種組態(tài)信息的完全的分發(fā)方法。

12 DDS在工業(yè)4.0中適用性

在德國工業(yè)4.0的實踐中，OPC UA在通信中的地位首先獲得了普遍肯定。但僅僅采用OPC UA并不能滿足其全面的聯(lián)通性要求。隨著工業(yè)4.0內(nèi)涵和外延的不斷擴展和豐富，工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之間的互操作，以及基于價值的服務(wù)，不僅被提上日程，而且在迅速推進。于是擴展其聯(lián)通性的工作引起了廣泛重視。2017年與德國和日本工業(yè)界交流時，德國ZVEI協(xié)會曾提出將DDS和OPC UA納入工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI4.0中的通信標準（見圖14）。隨后，又有中國臺灣凌華科技（ADLink）收購了美國從事DDS開發(fā)應(yīng)用的VortexTechnologies，在YouTube中討論DDS在工業(yè)4.0中的適用性時指出了，DDS可以用于RAMI4.0描述的三個維度。如圖15所示，鑒于DDS著重于通信和信息，用于分布式數(shù)據(jù)的表達和分享，所以在HierarchyLevel這一維度可以用在由控制設(shè)備（control device）層級往上到企業(yè)間的連接（connected world）層級；在Life Cycle& Value Stream這一維度，DDS可用于從產(chǎn)品開發(fā)的后一階段到產(chǎn)品生產(chǎn)和維護服務(wù)的階段；在由物理世界映射到數(shù)字虛擬世界的層級這一維度，可以用在從通信（communication）層級向上到經(jīng)營業(yè)務(wù)（business）層級。

圖14 德國ZVEI提出將DDS納入RAMI4.0通信標準

圖15 DDS在RAMI4.0的適用性表達

13 結(jié)束語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0要將原材料、設(shè)備、制造流程、產(chǎn)品、維護服務(wù)和參與全過程的管理和制造人員等進行必要的適時聯(lián)接，從全局和全周期的視角優(yōu)化生產(chǎn)和服務(wù)，就一定要建立強有力的泛在聯(lián)接性。

美國IIC選擇DDS、OPCUA、oneM2M和HTTP作為其聯(lián)接性的核心標準，已在全世界工業(yè)界，尤其在德國，得到積極響應(yīng)。當然，這一推進過程是長期的，優(yōu)勢的顯現(xiàn)也需要很長的過程。目前的現(xiàn)實是，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中存在著多種專有聯(lián)接性技術(shù)，在垂直集成系統(tǒng)中，也有針對一些較小的特定范圍的應(yīng)用案例及優(yōu)化標準。這些特定范圍的聯(lián)接技術(shù)雖然在各自應(yīng)用范圍內(nèi)還是相當優(yōu)化的，但是對于建立新的價值空間，以及打開全球的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場來說，在數(shù)據(jù)共享、設(shè)計、架構(gòu)乃至通信諸方面卻是一種障礙。泛在聯(lián)接性的首要目的是要讓這些相互隔離的孤立系統(tǒng)的數(shù)據(jù)開放流動，使得這些封閉的組件和子系統(tǒng)之間能夠共享數(shù)據(jù)和實現(xiàn)可互操作性，以至在各種行業(yè)內(nèi)和各種跨行業(yè)中的新型和新興的生態(tài)應(yīng)用得以形成和發(fā)展。所以，泛在聯(lián)接性的核心標準的推進是一個方向性的問題。如果不在早期引起重視，任其自行其是，以后再行統(tǒng)一，付出的代價將是十分巨大的。

作者簡介：

彭瑜（1938-），男，湖南長沙人，教授級高級工程師，畢業(yè)于清華大學熱能工程系，現(xiàn)任上海工業(yè)自動化儀表研究院教授級高工、顧問，PLCopen中國組織名譽主席，中國自動化學會儀表和裝置專委會名譽常務(wù)委員，PowerLink中國用戶協(xié)會理事長，工信部智能制造標準化體系建設(shè)工作組專家，國家智能制造標準化協(xié)調(diào)推進組專家咨詢組專家。迄今為止，已經(jīng)為中國工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展服務(wù)了50多年，涉及流程工業(yè)、離散制造業(yè)等領(lǐng)域的檢測、控制、生產(chǎn)制造、執(zhí)行管理等多個方面。自1993年起，因?qū)I(yè)技術(shù)的突出貢獻獲得國務(wù)院特殊津貼和相關(guān)證書。

摘自《自動化博覽》2018年9月刊