Die Wahl und Standardisierung des Datenformats ist für die Kommunikation zwischen IT- und OT-Systemen auf Basis des Unified Namespace (UNS) von zentraler Bedeutung. Datenformate bestimmen, wie Informationen in MQTT-Nachrichten strukturiert und im Unified Namespace (UNS) übertragen werden. Dabei erfüllen verschiedene Formate spezifische Anforderungen der Fertigungsindustrie. Um das optimale Datenformat auszuwählen, gilt es, die Vor- und Nachteile der verfügbaren Optionen genau zu analysieren. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die gängigsten Datenformate und Empfehlungen für den UNS.
Was sind Datenformate?
Datenformate definieren die Struktur und Organisation von Informationen, die zwischen Systemen ausgetauscht werden. Sie legen fest, wie Daten in einer standardisierten Form dargestellt, gespeichert und übertragen werden. In der Praxis bestimmen Datenformate, wie Inhalte – beispielsweise Sensordaten, Maschinenzustände oder Produktionsparameter – in Nachrichten verpackt werden, sodass sie von Sendern und Empfängern einheitlich interpretiert werden können. Bekannte Formate wie JSON, XML oder Binärformate wie Buffer spielen eine zentrale Rolle in der Fertigungsindustrie, da sie spezifische Anforderungen an Effizienz, Lesbarkeit, Kompatibilität und Verarbeitungsgeschwindigkeit erfüllen.
Datenformate im Kontext des Unified Namespace (UNS)
Die Wahl des richtigen Datenformats spielt eine entscheidende Rolle für die Effizienz und Interoperabilität im Unified Namespace (UNS). Dieser Abschnitt bietet einen Überblick über die gängigsten Formate und gibt praktische Empfehlungen für ihre Verwendung im UNS-Kontext. Ziel ist es, die Anforderungen der IT- und OT-Systeme sowie der Use-Cases gleichermaßen zu berücksichtigen und eine nahtlose Kommunikation zwischen beiden Welten zu gewährleisten.
1. XML (eXtensible Markup Language)
Vorteile: XML bietet eine strukturierte Darstellung mit Tags, die sich besonders für komplexe und hierarchische Daten eignet. Heute findet man XML häufig in Legacy-Systemen und OT Umgebungen, in denen eine strikte Datenvalidierung erforderlich ist. Aufgrund der weiten Verbreitung ist XML in bestimmten industriellen Kontexten unverzichtbar.
Nachteile: Die umfangreiche Syntax von XML erhöht die Nachrichten- und Bandbreitengröße. Die Verarbeitung von XML ist ressourcenintensiver als bei JSON oder Protobuf, was zu längeren Verarbeitungszeiten führen kann.
Empfehlung: XML eignet sich besonders für Umgebungen, in denen es bereits als Standard Datenformat etabliert ist oder wo eine komplexe Datenstrukturierung erforderlich ist.
Beispiel:
2. JSON (JavaScript Object Notation)
Vorteile: JSON bietet eine klare, menschenlesbare Struktur mit sogenannten „Value-Key“ Paaren. Diese Eigenschaften machen es universell einsetzbar. Die breite Unterstützung durch Programmiersprachen, OT und IT Systemen und IoT-Plattformen minimieren oftmals den Aufwand bei der Integration. JSON eignet sich sowohl für einfache als auch für komplexe Datendarstellungen. Weitere Informationen finden sie auf der Website von JSON.
Nachteile: Die textbasierte Darstellung von JSON führt bei großen Datenmengen häufig zu einem höheren Speicherbedarf. Außerdem bietet JSON nur eingeschränkte Unterstützung für binäre Daten, was in manchen industriellen Anwendungen problematisch sein kann.
Empfehlung: JSON eignet sich ideal für Anwendungen, die menschliche Lesbarkeit, Plattformkompatibilität und Flexibilität erfordern. Somit ist dieses Format besonders nützlich, wenn Daten zwischen einer Vielzahl an Systemen und Anwendungen ausgetauscht werden.
Beispiel:
3. Protocol Buffers (Protobuf)
Vorteile: Protobuf verwendet ein binäres Format, das die Serialisierung und Deserialisierung äußerst effizient gestaltet. Diese Effizienz führt zu besserer Performance im Hinblick auf Übertragungs- sowie Verarbeitungszeiten, besonders in ressourcenintensiven Anwendungen oder in Szenarien mit begrenzter Bandbreite. Protobuf ist sehr kompakt und reduziert die Speicheranforderungen. Weitere Informationen finden sie auf der Website von Protobuf.
Nachteile: Da Protobuf ein binäres Format ist, fehlt die menschliche Lesbarkeit. Das erschwert die Fehlersuche und Datenprüfung. Außerdem ist Protobuf in Webanwendungen weniger verbreitet, was die Integration in Systeme und Anwendungen komplizierter machen kann.
Empfehlung: Protobuf eignet sich hervorragend für Szenarien, in denen die Effizienz der Bandbreitennutzung und die Leistungsfähigkeit entscheidend sind. Es ist besonders nützlich in Umgebungen mit beschränkten Ressourcen.
Beispiel:
XML vs. JSON vs. Protobuf
| Format | Vorteile | Nachteile | Empfehlung |
| XML | – Strukturierte Darstellung für komplexe, hierarchische Daten
– Häufig in Legacy-Systemen und OT-Umgebungen – Erforderlich bei strikter Datenvalidierung |
– Umfangreiche Syntax führt zu größeren Nachrichten
– Ressourcen- intensive Verarbeitung – Längere Verarbeitungszeiten
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Ideal für bestehende Standards oder komplexe Datenstrukturen in Legacy-Systemen und OT-Umgebungen. |
| JSON | – Klare, menschenlesbare Struktur mit „Value-Key“-Paaren
– Universelle Einsetzbarkeit und breite Unterstützung – Geeignet für einfache und komplexe Daten |
– Höherer Speicherbedarf bei großen Datenmengen
– Eingeschränkte Unterstützung für binäre Daten |
Perfekt für Plattformkompatibilität, Flexibilität und menschliche Lesbarkeit, insbesondere bei Austausch zwischen vielen Systemen
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| Protobuf | – Effiziente Serialisierung/Deserialisierung durch binäres Format
– Hohe Performance bei Übertragung und Verarbeitung – Kompaktes Format mit geringem Speicherbedarf |
– Fehlende menschliche Lesbarkeit erschwert Fehlersuche
– Weniger verbreitet in Webanwendungen, was Integration komplizieren kann |
Hervorragend für ressourcenintensive Szenarien oder Umgebungen mit begrenzter Bandbreite und hohen Anforderungen an Effizienz. |
JSON vs. Buffer für Echtzeit OT-Kommunikation
Buffer-Formate zeigen in Echtzeit OT-Systemen mehrere Vorteile gegenüber JSON:
- Effizienz: Buffer-Formate komprimieren Daten durch die binäre Darstellung stärker als JSON. Diese Kompaktheit reduziert die Datenmenge und verbessert Übertragungs- sowie Verarbeitungszeiten.
- Deterministische Verarbeitung: Die festen Datensatzgrößen in Buffer-Formaten sorgen für konsistente und vorhersehbare Datenverarbeitung.
- Ressourcenschonung: Buffer-Formate benötigen weniger CPU- und Speicherressourcen als JSON. Diese Eigenschaften machen sie besonders geeignet für ressourcenbeschränkte OT-Systeme.
- Interoperabilität mit Hardware: Buffer-Formate integrieren sich direkt in Low-Level-Hardwareprotokolle. Hierdurch vereinfacht sich die Datenübertragung zwischen Sensoren, Controllern und Aktoren erheblich.
Fazit: JSON als gängigstes Datenformat im Unified Namespace (UNS)
Trotz der spezifischen Vorteile von XML und Protobuf bleibt JSON aufgrund seiner Lesbarkeit und breiten Unterstützung das bevorzugte Format für den Großteil der UNS-Anwendungen. Die Gründe dafür sind:
- JSON bietet eine einfache Verständlichkeit und ermöglicht eine schnelle Integration an der Schnittstelle zwischen OT und IT.
- Die menschenlesbare Struktur erleichtert Fachkräften in Produktions- und Fertigungsumgebungen den Umgang mit Daten.
- Seine breite Kompatibilität mit nahezu allen IoT-Plattformen, einschließlich Azure IoT und AWS IoT, macht JSON besonders vielseitig.
