REST (Representational State Transfer)

Representational State Transfer (REST) je architektonický štýl určený pre sieťové softvérové aplikácie. Využíva bezstavový komunikačný protokol medzi klientom a serverom, ktorý umožňuje ukladanie odpovedí do vyrovnávacej pamäte. Najčastejšie ide o protokol na prenos hypertextu (HTTP). REST bol prvýkrát definovaný v roku 2000 a stal sa de facto štandardom pre webové služby a aplikačné programové rozhrania (API). V modernej priemyselnej prevádzke slúžia REST API ako hlavné softvérové prepojenie medzi prevádzkovými technológiami (OT) vo výrobe, podnikovými systémami informačných technológií (IT) a cloudovými prostrediami.

Vo výrobe, logistike a ekosystémoch digitálnych dvojčiat poskytuje REST štandardizovaný spôsob výmeny dát medzi rôznymi systémami. Zjednodušuje integráciu pri zisťovaní stavu robotického ramena, aktualizácii zásob v systéme riadenia skladu (WMS) aj pri odosielaní telemetrie v reálnom čase do digitálneho dvojčaťa. Zložité fyzické operácie predstavuje ako štandardizované digitálne zdroje. Vďaka tomu môžu staršie zariadenia, edge gateway a podnikové platformy komunikovať bez proprietárnych ovládačov konkrétnych dodávateľov.

Hlavné súčasti

Bezstavová komunikácia: Každá požiadavka klienta na server musí obsahovať všetky informácie a kontext potrebné na jej pochopenie a spracovanie. Server teda neukladá údaje o relácii klienta. Ak v priemyselnej prevádzke edge gateway nakrátko stratí spojenie s cloudovým digitálnym dvojčaťom, vďaka bezstavovej komunikácii sa následný prenos môže okamžite obnoviť bez toho, aby server zostal v nekonzistentnom stave.

Jednotné rozhranie založené na zdrojoch: Systémy identifikujú jednotlivé zariadenia, senzory alebo procesy ako „zdroje“ pomocou jedinečných identifikátorov zdrojov (URI) a pracujú s nimi štandardnými metódami HTTP, napríklad GET, POST, PUT a DELETE. Teplotný senzor na CNC stroji môže mať napríklad vlastný URI, cez ktorý podnikový systém získa aktuálnu nameranú hodnotu jednoduchou požiadavkou GET.

Oddelenie klienta a servera: Tento princíp striktne oddeľuje používateľské rozhranie alebo klienta zbierajúceho dáta, napríklad edge gateway či mobilné rozhranie človek-stroj (HMI), od servera, ktorý dáta ukladá. Serverom môže byť systém riadenia výroby (MES) nasadený on-premise alebo cloudové digitálne dvojča. Vývojári tak môžu rozširovať, aktualizovať či meniť databázu na pozadí alebo cloudové úložisko bez narušenia činnosti fyzických zariadení, ktoré zbierajú dáta vo výrobe.

Ukladanie do vyrovnávacej pamäte: Odpovede servera musia výslovne určovať, či sa môžu ukladať do vyrovnávacej pamäte. Klienti a sprostredkovatelia si tak môžu ukladať často používané dáta, ktoré sa menia pomaly. V logistike ukladanie statických údajov, napríklad súradníc skladových miest alebo metadát sledovaných objektov, obmedzuje nadbytočnú sieťovú prevádzku a znižuje latenciu v mobilných alebo satelitných sieťach na sledovanie polohy.

Vrstvená architektúra systému: Klient zvyčajne nedokáže rozlíšiť, či je pripojený priamo ku koncovému serveru alebo k sprostredkovateľovi, napríklad k nástroju na vyvažovanie záťaže, bezpečnostnej gateway alebo reverznému proxy serveru. Pre priemyselnú kybernetickú bezpečnosť je to zásadné. Závody tak môžu medzi citlivé riadiace siete a externé IT prostredia vložiť firewally a demilitarizované zóny (DMZ) bez zmeny spôsobu, akým sa dáta požadujú.

Využitie vo výrobe a logistike

V inteligentnej výrobe sa REST API vo veľkej miere používajú na prepojenie starších programovateľných logických automatov (PLC) s digitálnymi dvojčatami. Edge gateway prijímajú z PLC surovú vysokofrekvenčnú telemetriu, napríklad údaje o vibráciách, otáčkach motora a teplote, cez protokoly priemyselných zberníc. Dáta zabalia do štruktúrovaných správ JSON a cez požiadavky POST podľa REST ich odošlú platforme digitálneho dvojčaťa. Umožňujú tak 3D vizualizáciu výrobnej linky v reálnom čase, modelovanie prediktívnej údržby a automatické výpočty celkovej efektívnosti zariadení (OEE) bez preťaženia lokálnych riadiacich sietí.

V logistike a riadení dodávateľského reťazca REST API uľahčujú sledovanie objektov a automaticky riadených vozidiel (AGV) v celom reťazci. Po naskenovaní čiarového kódu na prijímacej rampe odošle ručný skener požiadavku REST na aktualizáciu stavu zásob v systéme riadenia skladu (WMS), ktorý zároveň aktualizuje digitálne dvojča zachytávajúce usporiadanie skladu. Poskytovatelia externých logistických služieb (3PL) podobne využívajú REST API na zdieľanie aktuálnej polohy zásielok, predpokladaného času príchodu (ETA) a teplotných záznamov na sledovanie chladiaceho reťazca so sieťami externých partnerov.

Prínosy a úskalia

Hlavnými prínosmi REST v priemysle sú jednoduchosť, škálovateľnosť a takmer univerzálna kompatibilita. Keďže používa štandardné HTTP/S, dokáže jednoduchšie prejsť cez bežné obmedzenia IT firewallov ako proprietárne priemyselné protokoly. Podporuje ho prakticky každý moderný programovací jazyk a podniková platforma. Táto interoperabilita výrazne znižuje náklady na integráciu starších OT systémov s modernou cloudovou analytikou. Bezstavová komunikácia navyše umožňuje jednoduché škálovanie, takže jediná platforma digitálneho dvojčaťa môže prijímať dáta z tisícov senzorov rozmiestnených vo viacerých výrobných závodoch po celom svete.

REST má napriek týmto výhodám výrazné úskalia v priemyselných aplikáciách s vysokou frekvenciou dát a požiadavkami na reálny čas. Keďže HTTP funguje na princípe požiadavky a odpovede, klient si musí aktualizácie vyžiadať, prípadne sa na ne priebežne dopytovať servera (polling). V porovnaní s protokolmi typu publish-subscribe to zvyšuje latenciu a výrazne zaťažuje sieť. Rozsiahle hlavičky HTTP môžu byť neefektívne aj pre edge zariadenia s obmedzenými zdrojmi alebo vzdialené logistické prevádzky s nízkou šírkou pásma. Ďalšou otázkou je bezpečnosť. HTTPS síce zabezpečuje šifrovanie, no ochrana endpointov REST na hranici IT a OT vyžaduje spoľahlivé mechanizmy autentifikácie, napríklad OAuth 2.0, ktorých implementácia na staršom priemyselnom hardvéri môže byť zložitá.

Súvisiace pojmy

Pri REST v priemyselných architektúrach a digitálnych dvojčatách sa čitatelia často stretnú s príbuznými technológiami. Protokol na prenos telemetrie pomocou správ (MQTT) je ľahký protokol typu publish-subscribe optimalizovaný pre zariadenia s obmedzenými zdrojmi a nestabilné siete. Ďalšou dôležitou technológiou je zjednotená architektúra otvorenej platformy pre komunikáciu (OPC UA), ktorá poskytuje rámec na sémantické modelovanie dát a bezpečnú komunikáciu potrebnú na interoperabilitu medzi strojmi (M2M) vo výrobe. Súvisí s ním aj gateway aplikačného programového rozhrania (API), ktorá slúži ako jednotný vstupný bod na správu, zabezpečenie a smerovanie prevádzky REST medzi priemyselnými edge zariadeniami a podnikovými cloudovými aplikáciami.

Časté otázky

Je REST vhodný na riadenie pohybu vo výrobe v reálnom čase? REST nie je vhodný na riadenie pohybu s prísnymi požiadavkami na reálny čas ani na synchrónnu komunikáciu medzi strojmi vo výrobe. Používa model HTTP založený na požiadavke a odpovedi a vytváranie spojenia TCP aj textové hlavičky pridávajú réžiu. Nedokáže preto zaručiť deterministickú latenciu kratšiu ako milisekunda, ktorá je potrebná na koordináciu kĺbov robotov alebo vysokorýchlostných montážnych liniek. Na tieto účely sú potrebné deterministické priemyselné zbernice alebo protokoly priemyselného Ethernetu.

Čím sa REST líši od MQTT v architektúre digitálneho dvojčaťa? Obe technológie prenášajú dáta do digitálnych dvojčiat, používajú však odlišné komunikačné princípy. REST pracuje so synchrónnym modelom požiadavky a odpovede, v ktorom klient odošle požiadavku a server odpovie. Hodí sa preto na zisťovanie konkrétneho stavu zariadenia, získavanie historických záznamov alebo odosielanie zmien konfigurácie. MQTT používa asynchrónny model publish-subscribe, ktorý je oveľa efektívnejší na nepretržitý prenos vysokofrekvenčnej telemetrie zo senzorov tisícov edge zariadení do digitálneho dvojčaťa s minimálnou sieťovou réžiou.

Ako sa zabezpečujú REST API v priemyselnej OT sieti? Priemyselné REST API sa zvyčajne zabezpečujú tým, že sa prevádzka HTTP chráni protokolom zabezpečenia transportnej vrstvy (TLS), čím vzniká HTTPS. Dáta sa tak šifrujú a chránia pred odpočúvaním. Prístup sa riadi autentifikáciou pomocou tokenov, napríklad JSON Web Tokens alebo OAuth 2.0, a kľúčmi aplikačného programového rozhrania (API), ktoré overujú identitu edge gateway alebo podnikového systému odosielajúceho požiadavku. Priemyselné siete navyše často nasadzujú gateway aplikačného programového rozhrania (API) a firewally na hranici DMZ. Gateway a firewally kontrolujú a filtrujú prevádzku REST a obmedzujú počet požiadaviek za určitý čas pred ich prechodom medzi sieťami OT a IT.