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Version: 5.4

Hochverfügbare und redundante Architektur

In diesem Abschnitt werden die Konzepte und Implementierungsstrategien für hochverfügbare und redundante Systeme im Kontext des OPC Routers behandelt. Hochverfügbarkeit und Redundanz sind entscheidend, um Ausfallzeiten zu minimieren und die Zuverlässigkeit der Datenkommunikation sicherzustellen. Es gibt verschiedene Ansätze, um diese Ziele zu erreichen, darunter zentrale und dezentrale Architekturen sowie Kombinationen beider Ansätze.

Zentralisierte Architektur mit hoher Verfügbarkeit und Redundanz​

Kreuzredundanz​

Definition​

Bei der Kreuzredundanz werden nicht nur zwei oder mehr zentrale OPC Router-Instanzen parallel betrieben, sondern auch die angebundenen Systeme redundant ausgelegt. Jede Instanz ist in der Lage, die Aufgaben der anderen zu übernehmen, und nutzt dabei redundante Verbindungen zu den Datenquellen.

Implementierung​

  • Zentrale Server: Zwei oder mehr leistungsstarke Server in einem zentralen Rechenzentrum.
  • Redundante Anbindung: Konfiguration der OPC Router-Instanzen mit redundanten Verbindungen zu OPC UA Servern, Datenbanken, SAP-Systemen usw. Beispielsweise wird eine Verbindung zu zwei redundanten OPC UA Servern hergestellt, um "Hot Standby" zu ermöglichen.
  • Synchronisation: Regelmäßige Daten- und Konfigurationssynchronisation zwischen den Servern.
  • Failover-Mechanismus: Automatisiertes Umschalten auf die redundante Instanz bei Ausfall einer Server-Instanz.

Vorteile der Kreuzredundanz​

  • Hohe Verfügbarkeit: Die Architektur ermöglicht eine ständige Verfügbarkeit durch parallelen Betrieb und schnelle Wiederherstellung im Fehlerfall.
  • Redundante Anbindung: Nutzung redundanter Verbindungen zu kritischen Systemen wie OPC UA Servern, Datenbanken und SAP-Systemen erhöht die Zuverlässigkeit.
  • Schnelle Umschaltzeiten: Durch "Hot Standby" kann bei einem Ausfall sehr schnell auf die redundante Instanz umgeschaltet werden, was die Ausfallzeit minimiert.
  • Dynamische Kompensation: Mehrfach ausgelegte Redundanzen können dynamisch auf den Ausfall von Komponenten in der Kette reagieren und diese ausgleichen.

Herausforderungen bei der Kreuzredundanz​

  • Erhöhte Kosten durch mehrere zentrale Server.
  • Komplexität bei der Implementierung und Verwaltung der Synchronisationsmechanismen.

Dezentrale Architektur​

Nahe an der Quelle in einer Fault Zone​

Definition​

Bei der dezentralen Architektur werden OPC Router-Instanzen möglichst nah an der Datenquelle (z.B. Produktionslinie, Maschinenhalle) betrieben. Jede Instanz operiert in einer definierten "Fault Zone", sodass lokale Ausfälle keine Auswirkungen auf andere Zonen haben.

Implementierung​

  • Lokale Server oder Edge-Devices: Einsatz von lokalen Servern oder Edge-Devices in der Nähe der Datenquellen.
  • Lokale Redundanz: Einrichtung von Redundanz auf lokaler Ebene, z.B. durch doppelte Edge-Devices.
  • Store and Forward: Nutzung des Store and Forward-Add-Ons des OPC Routers, um Daten bei Verbindungsunterbrechungen lokal zu speichern und später weiterzuleiten.
  • Lokaler Broker/Datenbank: Verwendung eines lokalen Brokers oder einer Datenbank zur Zwischenspeicherung und Synchronisierung der Daten mit zentralen Systemen.

edge-device-architektur.md

Vorteile der dezentralen Architektur​

  • Reduzierte Latenzzeiten durch lokale Datenverarbeitung.
  • Höhere Fehlertoleranz durch isolierte Fault Zones.
  • Flexibilität und Skalierbarkeit.

Herausforderungen der dezentralen Architektur​

  • Erhöhte Komplexität durch die Verwaltung mehrerer dezentraler Instanzen.
  • Notwendigkeit robuster Synchronisationsmechanismen zwischen lokalen und zentralen Systemen.

Kombination beider Architekturen​

Hybride Architektur​

Definition​

Eine hybride Architektur kombiniert zentrale und dezentrale Ansätze, um die Vorteile beider Modelle zu nutzen.

Implementierung​

  • Zentrale Server: Einrichtung zentraler Server mit hoher Verfügbarkeit und Redundanz (z.B. Kreuzredundanz).
  • Dezentrale Edge-Devices: Einsatz von Edge-Devices nahe der Datenquellen, die lokal redundant ausgelegt sind.
  • Daten-Synchronisation: Implementierung von Synchronisationsmechanismen zwischen dezentralen und zentralen Instanzen, z.B. durch Store and Forward, lokale Broker oder Datenbanken.

Vorteile der hybriden Architektur​

  • Maximierte Verfügbarkeit und Fehlertoleranz.
  • Optimierte Latenzzeiten durch lokale Verarbeitung und zentrale Verwaltung.

Herausforderungen der hybriden Architektur​

  • Komplexität der Implementierung und Verwaltung der synchronisierten Systeme.
  • Erhöhte Kosten durch Kombination mehrerer Ansätze.

Kubernetes und Container-Orchestrierung​

hinweis

Grundlegende Kenntnisse über Kubernetes sind notwendig, um das Folgende vollständig zu verstehen.

Definition​

Kubernetes ist eine Open-Source-Plattform für die Automatisierung der Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung containerisierter Anwendungen. Durch die Nutzung von Helm Charts kann der OPC Router effizient in einem Kubernetes-Cluster bereitgestellt und verwaltet werden.

Implementierung​

  • Bereitstellung: Mithilfe des OPC Router Helm Charts wird der OPC Router auf einem Kubernetes-Cluster installiert. Das Helm Chart unterstützt verschiedene Konfigurationen, einschließlich Authentifizierung und Redundanz.
  • Konfiguration: Unterstützung für globale Parameter (z.B. Docker-Image-Registry), allgemeine Parameter (z.B. Service-Account-Einstellungen) und spezifische OPC Router-Parameter (z.B. Projekt-Repository, Umgebungsvariablen).
  • Redundanz: Konfiguration von Redundanz sowohl für den OPC Router als auch für die MongoDB. Bei der Redundanz für den OPC Router wird ein zweiter Pod bereitgestellt, der im Falle eines Ausfalls der Hauptinstanz aktiviert wird. Bei der MongoDB wird durch Erhöhung der Anzahl der Pods eine redundante Datenbankbereitstellung ermöglicht.

Vorteile von Kubernetes​

  • Skalierbarkeit: Einfaches Skalieren der OPC Router-Instanzen entsprechend den Anforderungen.
  • Flexibilität: Möglichkeit, verschiedene Konfigurationen und Implementierungen zu verwalten.
  • Automatisierung: Automatisierte Verwaltung von Deployments, Updates und Rollbacks.

Herausforderungen bei der Verwendung von Kubernetes​

  • Komplexität: Die Implementierung und Verwaltung von Kubernetes-Clustern kann komplex sein und erfordert spezielles Fachwissen.
  • Ressourcenbedarf: Der Betrieb eines Kubernetes-Clusters erfordert erhebliche Hardware-Ressourcen und kann kostspielig sein.

Für detaillierte Implementierungsstrategien, praktische Umsetzungen und spezifische Konfigurationsbeispiele besuchen Sie bitte die Unterseite Kubernetes und Container-Orchestrierung.

Praktische Umsetzung​

Zentralisierte Architektur​

  1. Serverbereitstellung: Einrichtung mehrerer zentraler Server.
  2. Konfigurationssynchronisation: Implementierung von Mechanismen zur Synchronisation der Konfiguration und Daten zwischen den Servern.
  3. Failover-Test: Regelmäßiges Testen des Failover-Mechanismus zur Sicherstellung der Verfügbarkeit.

Dezentrale Architektur​

  1. Edge-Device-Bereitstellung: Installation und Konfiguration von Edge-Devices in der Nähe der Datenquellen.
  2. Lokale Redundanz: Implementierung redundanter Edge-Devices für lokale Fehlertoleranz.
  3. Store and Forward: Aktivierung und Konfiguration des Store and Forward-Add-Ons.
  4. Lokaler Broker oder Datenbank: Einrichtung eines lokalen Brokers oder einer Datenbank für die Datenzwischenspeicherung und Synchronisation.

Hybride Architektur​

  1. Zentrale und dezentrale Komponenten: Kombination der Schritte aus den zentralen und dezentralen Architekturen.
  2. Synchronisationsstrategien: Implementierung robuster Synchronisationsstrategien zwischen den zentralen und dezentralen Komponenten.
  3. Monitoring: Regelmäßige Überwachung und Wartung der zentralen und dezentralen Instanzen.

Zusammenfassung​

Für hochverfügbare und redundante Systeme bietet der OPC Router sowohl zentrale als auch dezentrale Architekturoptionen, die je nach Anforderung kombiniert werden können. Eine zentrale Architektur mit Kreuzredundanz bietet hohe Verfügbarkeit und zentrale Verwaltung, während eine dezentrale Architektur die Latenzzeiten minimiert und die Fehlertoleranz erhöht. Eine hybride Architektur kombiniert die Vorteile beider Ansätze, um maximale Flexibilität und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.