IoT-Architekturen
Die Idee hinter dem „Internet der Dinge“ ist, dass unterschiedliche Geräte über das Internet miteinander kommunizieren. Das bedeutet aber nicht, dass diese direkt verbunden sind oder direkt miteinander kommunizieren. Die Kommunikation kann auch über einen Server, ein Gateway oder die Cloud erfolgen.
Bei der Betrachtung einer IoT-Architektur spielt es eine Rolle, mit welchem Netzwerk die IoT-Geräte verbunden sind, welche Übertragungstechnik verwendet wird. Außerdem muss es für die Kommunikation Endstellen geben.
Beispielsweise bestehen industrielle IoT-Netze aus Sensoren, die vor Ort Daten messen und drahtlos weiterleiten, und Aktoren, die Signale zur Steuerung empfangen. Alle Daten werden über ein lokales IoT-Netzwerk und vielleicht auch über das Internet in die Cloud oder an einen Application Server übertragen. Zusätzlich gibt es vielleicht noch ein zentrales Netzmanagement, dass alle Gateways und Sensoren steuert.
In einem IoT-Netz mit tausenden von Sensoren, Aktoren und Regelungseinheiten muss mit einer Datenflut gerechnet werden, die eine Vielzahl an Geräten gleichzeitig bedienen kann. Damit sind herkömmliche Funknetze schnell überfordert. Deshalb sind auf der Netzwerkseite Verfahren notwendig und größere Kapazitäten erforderlich, um eine sehr große Anzahl an Geräten verwalten zu können.
Übersicht der grundlegenden IoT-Architekturen
Die folgenden grundlegenden IoT-Architekturen stellen die Infrastruktur dar, die zwischen den IoT-Geräten in Form von Übertragungssystemen und Übertragungstechniken die Verbindungen ermöglichen.
- Peer-to-Peer-Architektur
- Gateway-Architektur
- Mesh-basierte Architektur
- Cloud-basierte Architektur
- Edge-basierte Architektur
IoT-Anwendungen und IoT-Netze müssen nicht nur in eines dieser Raster passen. Es kann sein, und es ist durchaus üblich, diese grundlegenden Architekturen miteinander zu kombinieren. Das ist immer dann der Fall, wenn die Anwendung und deren Anforderungen nicht nur mit einer bestimmten IoT-Architektur realisierbar ist.
Peer-to-Peer-Architektur
In der Peer-to-Peer-Architektur sind die Geräte hochgradig eigenständig und intelligent. Sie verfügen über die entsprechende Rechenleistung und Schnittstellen für die mobile Kommunikation. Die Geräte kommunizieren in der Regel über ein funkbasiertes Übertragungssystem direkt miteinander. Eine zentrale Stelle kann es geben. Die ist aber für den Betrieb nicht zwingend erforderlich.
Die direkte Kommunikation zwischen Geräten tritt in typischen IoT-Lösungen eher selten auf.
Gateway-Architektur
Das Gateway dient in einem IoT-Netzwerk als Basisstation eines IoT-Funksystems für Sensoren und Aktoren. Bedarfsweise auch als Verbindungspunkt zum Internet und der Cloud. Das Gateway kann auch noch über zusätzliche externe Schnittstellen verfügen.
Das Gateway-Modell kommt immer dann zum Einsatz, wenn ...
- eine zentrale Steuerung lokal gewünscht ist.
- die Bandbreite und Latenz des IoT-Funksystems für TCP/IP zu gering ist.
- ein Übergang ins Internet erfolgen soll.
Viele Lösungen rund um das Smart Home arbeiten mit einem Gateway, dass eine Verbindung zwischen dem IoT-Funksystem und dem lokalen Netzwerk per WLAN oder Ethernet und dem Internet herstellt. Aber auch Low-Power-WANs arbeiten gemäß der Gateway-Architektur, bei der das Gateway den Übergang in ein IP-basiertes Netzwerk ermöglicht.
Mesh-basierte Architektur
Alle Funksignale unterliegen prinzipbedingt einer Reichweitenbegrenzung Entweder von regulatorischer Seite oder weil nicht genug Energie für mehr Sendeleistung vorhanden ist. Manchmal befindet sich ein IoT-Gerät einfach nicht in der Nähe einer Basisstation oder eines Gateways. Um trotzdem auch weiter entfernte oder außenliegende Geräte mit dem IoT-Netzwerk zu verbinden, haben manche IoT-Funksysteme eine Mesh-Funktion. Dadurch können einfache Sensoren und Aktoren zu aktiven Knoten werden und Signale von abgelegenen Geräten weiterleiten, was die Zuverlässigkeit des IoT-Funknetzes verbessert.
Cloud-basierte Architektur
Viele IoT-Endgeräte sind nicht in der Lage direkt mit anderen IoT-Endgeräte im selben Netzwerk zu kommunizieren. Statt dessen kommuniziert jedes IoT-Endgerät mit einem zentralen Server im Internet oder einem Cloud-Dienst.
Hier ist der Gedanke vorherrschend, dass einzelne IoT-Geräte nicht eigenständig betrieben werden, sondern an ein Netz oder einen Dienst gebunden sind. Da spielt auch die mobile Nutzung eine Rolle, weil dafür der Zugriff auf eine zentrale Stelle erfolgen muss und viele Geräte im Internet nicht direkt erreichbar sind. Hierfür bieten Hersteller und Lösungsanbieter von IoT-Geräten einen Cloud-Dienst an (Software as a Service), um zusätzliche Funktionen anzubieten und die Geräten von außen erreichbar machen. Beispielsweise um Sensoren aus der Ferne abzulesen oder um Geräte unterwegs ein- und ausschalten zu können.
Nachteile von Cloud-Lösungen
Viele Hersteller von Geräten für das IoT und Smart Home haben ihr angestammtes Geschäft in einem Bereich, der nichts mit IT zu tun hat. Sie entwickeln die Geräte, die vernetzt werden sollen und dann auf ein Netzwerk oder einen bestimmten Service angewiesen sind. Zusätzlich werden Kernfunktionen gestrickt, die nicht im Gerät, sondern in der Cloud realisiert werden. Doch irgendjemand muss diese Cloud betreiben. Typischerweise wird die Rechenleistung bei einem großen Cloud-Anbieter wie Amazon, Google oder Microsoft in Anspruch genommen. Und diese Dienstleistung muss jemand bezahlen. Anfangs kostenlos enthaltene Funktionen, werden irgendwann abgeschaltet oder sind nur noch kostenpflichtig nutzbar. Besonders betroffen sind Funktionen aus dem Bereich der Fernbedienung und Sprachsteuerung.
Aus diesem Szenario ergeben sich 3 Nachteile für den Nutzer:
- Sobald ein Gerät mit dem Internet verbunden wird, können Daten das Haus verlassen, und der Nutzer hat keine Kontrolle mehr darüber, wer was damit macht.
- Die IT-Abhängigkeit nimmt zu. Wenn ein Gerät Funktionen aufweist, die ohne Internet-Zugang und die Erreichbarkeit einer bestimmten Cloud nicht mehr funktionieren, dann geht das Gerät auch nicht mehr.
- Egal, wer die Cloud betreibt, irgendwer muss dafür bezahlen. Wenn sich die Cloud nicht wirtschaftlich betreiben lässt, dann wird die irgendwann abgeschaltet. Die Frage ist, ob dann die Geräte noch funktionieren, wenn die Cloud nicht mehr erreichbar ist.
Erschwerend kommt hinzu, dass kommerzielle Systeme nicht durch Offenheit glänzen. Das bezieht sich auf die Interoperabilität und Austausch der Software oder Firmware.
Edge-basierte Architektur
Für bestimmte Anwendungen ist die Cloud „zu weit weg“. Beispielsweise ist die Bandbreite zu niedrig oder die Latenz zu groß. Desweiteren kann es sein, dass die Kosten für die Datenübertragung zu hoch sind.
Mit Edge Computing und der Edge-basierten Architektur, geht es darum, die Verarbeitung von Daten direkt in den Endpunkten oder in nahegelegenen Servern durchzuführen. Durch das Verarbeiten in unmittelbarer Nähe der Datenquellen lassen sich nicht nur Verzögerungen vermeiden, sondern auch Datenmengen erheblich reduzieren, die sonst über das Netzwerk beispielsweise zu einer Cloud-Lösung transportiert werden müssten. Stichworte wie Echtzeit, Datenoptimierung, Anwendungsintelligenz werden oft in diesem Zusammenhang genannt.
Wo befindet sich die Entscheidungskompetenz?
Mit Entscheidungskompetenz ist gemeint, an welcher Stelle in der IoT-Architektur die Steuerung erfolgt.
- In der Peer-to-Peer-Architektur sind alle Geräte eigenständig und können direkt miteinander kommunizieren. Die Entscheidung von Aktionen erfolgt in der Regel durch das Daten-auswertende Gerät.
- In der Gateway-Architektur sind die Geräte über das Gateway mit einem lokalen Netzwerk verbunden und kommunizieren oft mit einer zentralen Stelle (Cloud) im Internet. Aktionen werden dann in der Cloud gesteuert.
- In der Cloud-basierten Architektur kommunizieren die Geräte direkt oder auch indirekt mit einem zentralen Dienst über eine beliebige Infrastruktur. Aktionen werden vom Cloud-Dienst gesteuert.
- In der Edge-basierten Architektur kommunizieren die Geräte mit der nahegelegenen Edge-Cloud. Manchmal erfolgt die Steuerung von dort oder sogar vom Gerät selbst.
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