Cloud und Microservice Architektur

Cloudtechnologien und Microservice-Architekturen sind eng verknüpft mit der Umsetzung von IIoT-Plattformen im Predictive-Maintenance-Bereich. Insbesondere Cloud Computing hat in der vorausschauenden Instandhaltung und Fernwartung eine enorme Bedeutung. Die Basis für unsere IIoT-Plattformen bilden etablierte Docker- und Kubernetes-Technologien. Ziel dieses skalierbaren Cloud-Computing-Ansatzes ist es, IT-Infrastrukturen, -Plattformen und Software über das Internet bereitzustellen, ohne dass lokale Installationen notwendig sind. Sowohl die Bereitstellung als auch die Nutzung wird allein durch Protokolle und Schnittstellen – meist über Webbrowser – realisiert.

Die Cloud-Kommunikation findet in direkter Verbindung mit intelligenten IoT Gateways statt. Diese ist auch offline möglich, weshalb die Kapazität der Cloud geringer sein kann und so eine kostengünstige Umsetzung realisiert wird. Zwischen dem IoT Gateway und der Cloud ist eine sogenannte Fog-Computing-Architektur zu finden. Fog Computing erlaubt, bestimmte Funktionen aus der Cloud in Netzwerknähe auszulagern. Ziel ist es, das Datenaufkommen zu reduzieren und die von Unternehmen verwendete Bandbreite zu entlasten. Dieser Ansatz ist für das Industrial Internet of Things relevant, da vor allem in der vorausschauenden Wartung viele vernetzte Maschinen gleichzeitig Daten übermitteln und diese auch verarbeitet werden. So wird eine Teilauswertung der Daten vorgenommen und für die Übertragung in die Cloud vorbereitet. Auch im Sinne der Datensicherheit ist dieser Ansatz sinnvoll, da sensible Daten nicht in die Cloud überführt werden müssen, sondern vor Ort verbleiben.

Ein weiterer Aspekt der IIoT-Plattform ist die dahinterliegende Microservice-Architektur. Statt einen großen Service bereitzustellen, erfolgt eine Zerlegung der Architektur in gesonderte, kleine Services, was eine schnelle Implementierung von Funktionalitäten erlaubt. Kurz: Die IT-Architektur ist modularisiert. Die alleinstehenden Services sind meist für eine einzelne Aufgaben konzipiert, aber auf ebenjene spezialisiert. Zusammengenommen ergeben die einzelnen Services ein optimal aufeinander abgestimmtes Leistungspaket, wie zum Beispiel das Modul weInspect. weInspect besitzt mehrere, voneinander unabhängige Funktionen (welche einzeln entwickelt, getestet, aktualisiert, entfernt und hinzugefügt werden können), die zusammen eine Software für die Zusammenarbeit zwischen Vor-Ort-Technikern und Remoteexperten bilden. So ist jedes Element des Moduls ein einzelner Microservice. Diese Flexibilität ermöglicht uns, noch stärker auf Kundenanforderungen einzugehen und den Smart Remote Service individuell umzusetzen.

Cloud Computing und Microservices sind eng verbunden mit unseren Produkten wie weMonitor. Der Zusammenhang zwischen den Technologien ergibt sich aus den Anforderungen an das Produkt. Um diese zu identifizieren, müssen verschiedene Aspekte bei der Konfiguration beachtet werden:

(1) Verarbeitungsleistung: Im Zuge der vorausschauenden Instandhaltung ist die gleichzeitige Überwachung vieler Maschinen ein elementarer Bestandteil. Um den Anforderungen hinsichtlich der Datenmenge gerecht zu werden, muss die IIoT-Plattform Millionen von Sensordaten pro Sekunde erfassen und zeitlich korrelieren. Es handelt sich hier um keinen klassischen Big-Data-Ansatz, sondern um die Echtzeit-Datenstream-Verarbeitung im IoT-Zeitalter (Fast Data). weMonitor unterstützt deshalb die Verarbeitung von bis zu 20 verschiedenen Sensorsignalen pro Maschine mit einer Abtastrate von bis zu 5 ms. Diese Sensorsignale werden zu Datenstreams umgewandelt. Hierbei schafft weMonitor es, die Datenstreams beliebig vieler Maschinen weltweit zu verwerten, über die Webapp darzustellen und zu visualisieren.

(2) Modularität, langfristige Nutzbarkeit, Flexibilität und Erweiterbarkeit: weMonitor ist als IIoT-Plattform darauf ausgelegt, langfristig betreib- und nutzbar zu sein. Damit sich unsere Applikation den verändernden Rahmenbedingungen, Voraussetzungen und Kundenanforderungen anpassen kann, ist es notwendig, auf eine modulare und erweiterbare und IT-Umgebung zu setzen. Daher ist auch die zusätzliche und künftige Integration weiterer Services – wie zum Beispiel ein umfangreicheres Alerting, Machine Learning oder erweiterter Analytic Module – umsetzbar. Auch hier wird der Microservice-Gedanke aufgegriffen, da zusätzliche Module nur lose mit dem Basissystem gekoppelt sind und weiterhin Flexibilität beibehalten wird.

(3) Skalierbarkeit, Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit: weMonitor ist an viele Maschinen weltweit angebunden. Daher sind Faktoren wie die Skalierbarkeit, Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit bedeutsam für einen stabilen Betrieb des Moduls. Da die Lastsituation von Maschinen und Anlagen stark variiert, ist eine dynamische und lastunabhängige Skalierung implementiert. Diese muss in einem sehr hohen Maße möglich sein, da hunderte Rechnerknoten bzw. zehntausende Microservice-Instanzen im Hintergrund agieren. Um weiterhin Ausfallsicherheit und eine stetige Verfügbarkeit zu gewährleisten, nutzen wir Mechanismen zur Selbstheilung der Plattform sowie die Implementierung von Rolling Updates.

Vorteile unserer IIoT-Plattformen auf einen Blick

- Bereitstellung und Nutzung ohne zusätzliche Installationen

- Fog Computing zur Reduzierung der Datenlast

- Sensible Daten bleiben an Ort und Stelle

- Hohe Portabilität

- Rolling Updates zur stetigen Verbesserung

- Kostensparend durch niedrigen Ressourcenverbrauch

- Hohe Produktivität in der Entwicklung

- Breiter Community Support

- Schnelle Implementierung von neuen Funktionalitäten

- Selbstheilung auf Ebene der Microservices

- Microservice-basierte, flexible Skalierung

- Bessere Wartbarkeit durch kleinere, übersichtliche Microservices

- Voneinander unabhängige Entwicklung der Microservices


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