Ein ortsunabhängiges, datenbasiertes und schlankes Protokoll für die Edge und Echtzeit Was ist Zenoh?

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Dezentrale, datenintensive Infrastrukturen, wie sie bei IoT, Robotik oder autonomem Fahren entstehen, brauchen einfachere Protokolle. Die bisherigen Protokollstrukturen sind zu voluminös und zu langsam für die Echtzeitanforderungen dieser Anwendungen. „Zenoh“ ist eine Alternative aus Italien.

Zenoh ist ein neuartiges, leichtgewichtiges, datenzentriertes Protokoll für dezentralisierte Umgebungen. Beispiele dafür sind (Industrial) IoT, Robotik, autonomes Fahren und autonome Logistik und möglicherweise noch viele mehr. Entwickelt hat das Protokoll der italienische Startup Zettascale.

Bisherige Protokolle, die Edge-Devices mit dem Rest der Edge-to-Core-Infrastruktur verbinden, sind etwa MQTT, DDS, CoAP oder OPC-UA. Für die Verarbeitung von echtzeitnahen Daten in heterogenen Umgebungen wird auch gern Kafka eingesetzt.

Host-zentriert taugt nicht fürs Echtzeit-Edge Computing

Alle diese Protokolle haben eine Host-zentrierte Struktur. Das heißt: Adressiert über ihre IP-Adresse wird die Ressource, bei der die jeweiligen Daten vermutet werden. Die Anfrage wird gemäß den IP-Regeln dorthin und die Antwort wieder zurück geroutet, wofür oft mehrere Protokolle nötig sind.

Zudem haben die gängigen Edge-Protokolle erheblichen Overhead wegen der sehr voluminösen Header der Datenpakete. Das hat wiederum mit ihrer Host-zentrierten Architektur zu tun haben.

Ortsunabhängige Abstraktionen

Zenohs Abstraktionen sind ortsunabhängig und zielen direkt auf die gewünschten Daten, egal, auf welcher Ressource sie sich befinden. Das Protokoll ist zudem sicher. Es soll binnen kurzen nach dem Standard 'ISO 26262 ASIL-D', einem Standard für autonomes Fahren, zertifiziert werden.

Zenoh arbeitet nach dem Prinzip Publish-Subscribe-Query, das heißt, es ähnelt diesbezüglich REST. Es adressiert ruhende und im Transport befindliche Daten. Sie dürfen auch redundant vorhanden sein oder auf mehrere Ressourcen verteilt. Anfragen lassen sich dann ebenfalls auf mehrere Ressourcen verteilen.

Funktioniert in jedem Netz mit Data Link

Als Protokollunterlage benötigt Zenoh lediglich ein Data Link Layer (Ebene 2 des ISO/OSI-Netzwerkmodell). Es arrangiert sich aber mit den unterschiedlichen Protokollen auf den Ebenen 3 und 4, so vorhanden.

Außerdem unterstützt Zenoh alle möglichen Topologien. SIe dürfen auch in einer Infrastruktur gemischt sein. Da das Protokoll sich an Daten orientiert, spielt das für sein Funktionieren keine Rolle.

Für Zeno, gibt es ein API für die wichtigsten modernen Programmiersprachen der Echtzeit-Welt, zum Beispiel Rust, C/C++, C#, Python, Javascript oder Kotlin. Für viele Sprachen sind auch Libraries verfügbar. Shared Memory und Zero Copy werden unterstützt.

Schlanke Protokollstruktur

Wegen der extrem schlanken Protokollstruktur passt Zenoh auch auf sehr beschränkte Embedded-Systeme. Der Protokoll-Overhead beträgt nur 5 Bytes. In einem Frame (Datenpaket) lassen sich zudem mehrere Messages zusammenfassen. Zudem lassen sich die Daten transparent komprimieren.

Zenoh funktioniert mit „MS Windows“, „Linux“ und „MacOS“, zukünftig auch mit „QNX“. Es arbeitet unter anderem mit den Embedded-Systemen „Arduino“, „ESP32“, „mbed“ und „Zephyr“ zusammen. Es arbeitet in Peer-to-Peer-, gerouteten oder gemischten Infrastrukturen mit und ohne Clients.

Auto-Industrie setzt auf Zenoh

Gemeinsam führen diese Eigenschaften dazu, dass Zenoh bei der Kommunikation sehr viel Energie-effizienter und schneller arbeitet sowie die vorhandene Bandbreite besser ausnutzt. Deshalb haben sich inzwischen verschiedene Industriekonsortien entschieden, auf das Protokoll zu setzen.

Beispiele sind das europäische Eclipse-Projekt zur Entwicklung softwarebasierter Fahrzeuge (SBV) oder die Robotik-Community. Sie verwendet Zenoh inzwischen als Middleware für das beliebte Roboter-Betriebssystem ROS.

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