Industrial Internet of Things IoT-Architektur: Herausforderungen, Konzepte, Plattformen

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Eine IoT-Architektur muss mit einer Vielzahl an Sensoren, Aktuatoren und weiteren Geräten interagieren können. Wie ein entsprechender Aufbau aussehen kann, welche verschiedenen Konzepte es gibt und welche Bedeutung IoT-Plattformen zukommt, lesen Sie in diesem Beitrag.

Die Architektur des Internet of Things (IoT) unterscheidet sich in einigen wesentlichen Punkten von klassischen Cloud- oder On-Premise-Architekturen. Die Verteilung vieler Geräte und Endpunkte stellt eine besondere Herausforderung dar. Prinzipbedingt haben IoT-Netzwerke sehr viele solcher Verbindungen, wie aus dem Metcalfeschen Gesetz ersichtlich wird: „Der Wert eines Netzwerks ist proportional zur Anzahl möglicher Verbindungen zwischen den Teilnehmern“. Je mehr Geräte sich also mit einem IoT-Netzwerk – auch untereinander – verbinden lassen, desto attraktiver ist es.

Und nicht nur die hohe Skalierbarkeit ist eine wichtige Anforderung an eine IoT-Architektur – sondern auch die Möglichkeit, unterschiedliche Standards, Protokolle und Technologien miteinander zu harmonisieren. Denn gerade komplexere IoT-Netzwerke, zum Beispiel die Smart Factory, müssen mit vielen verschiedenen Sensoren, Aktuatoren und sonstigen Endgeräten umgehen können.

IoT-Architekturen umfassen drei Computing-Modelle

Um den unterschiedlichen Anforderungen des (Cloud-)Rechenzentrums und den weit verstreuten Geräten des IoT-Netzwerks gerecht zu werden, teilt sich eine IoT-Architektur üblicherweise in die drei Schichten auf:

• Cloud Computing („Wolke“): Die Daten des IoT laufen zentral in der Cloud zusammen. In der Cloud-Lösung wird der Netzwerkzugriff auf geteilte Ressourcen verwaltet. Mit minimalem Administrationsaufwand lassen sich diese bereitstellen. Allerdings kann es bei Endgeräten und Endnutzern, die räumlich weit entfernt sind oder nur eine schwache Netzwerkverbindung haben, zu hohen Latenzen kommen. Deshalb erfolgt ein Teil der Datenverarbeitung in den übrigen beiden Schichten.

• Fog Computing („Nebel“)/Edge Computing („Rand/Kante“): Die Daten werden hier in Servern nahe an den datenerzeugenden Geräten verarbeitet. Dies ist vor allem dann von Vorteil, wenn die Geräte selbst nur beschränkte Ressourcen aufweisen. Die gesamte IoT-Architektur gewinnt hierdurch an Effizienz, da keine großen Mengen an Rohdaten in die Cloud geschickt werden müssen.

• Dew Computing („Tau“): Hier verarbeiten lokale Geräte außerhalb der Cloud die Daten. Dies bedeutet jedoch nicht, dass sie vollständig unabhängig von ihr sind. Sie können bestimmte Applikationen und Ressourcen immer noch anfordern. Die Abhängigkeit von der Internetverbindung und die Latenz im reinen Cloud Computing lassen sich hierdurch aber umgehen. Ein populäres Beispiel für diesen Ansatz sind Datenspeicher wie Dropbox, die Daten zunächst lokal abspeichern und anschließend mit der Cloud synchronisieren.

Die Begriffe Wolke, Nebel und Tau veranschaulichen die Funktionsweise der IoT-Architektur im einfachen Bild einer Landschaft: Der Tau am Boden sind die Geräte. Knapp darüber hat sich Nebel gesetzt, wohingegen weit oben die Wolken schweben. Um im Bild zu bleiben, kann man den Feuchtichkeitsaustausch zwischen den Schichten als Analogie zum Datenfluss über das gesamte IoT-Netzwerk hinweg ansehen.

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Eine IoT-Referenzarchitektur erleichtert den Einstieg

IoT-Architekturen sind strukturell stets ähnlich aufgebaut, wie die folgende Abbildung 01 zeigt:

Es gehören hierzu die folgenden Schichten:

• Anwendungen: Datenapplikationen, unter anderem ausgestattet mit KI, machen das IoT-Netzwerk erst wirklich wertvoll. Ein interessantes Beispiel hierfür ist Predictive Maintenance; diese prüft alle Daten aus den Geräten auf Muster hin, welche auf einen baldigen Wartungszustand schließen lassen.

• IoT-Plattform: Die IoT-Plattform ist die Middleware der IoT-Architektur. Sie verbindet die Anwendungsschicht in der Cloud mit der Datenschicht in oder bei den Geräten. Weil sie eine besondere Rolle in der IoT-Architektur spielt, werden wir sie im nächsten Abschnitt noch genauer betrachten.

• Gateway: Diese Schicht bereitet die eingehenden Daten der Geräte auf und leitet sie anschließend an die IoT-Plattform weiter; dabei geht es unter anderem um die Übersetzung der unterschiedlichen Protokolle, in denen die Geräte kommunizieren.

• Geräte: Die Geräte können mittels Sensoren ihre Umwelt wahrnehmen und durch Aktuatoren auf diese einwirken. Sie senden üblicherweise Daten und können oftmals Befehle entgegennehmen. Insbesondere leistungsschwache Geräte kommunizieren häufig zunächst mit einem Gateway, wohingegen sich leistungsstärkere Geräte durchaus direkt mit der IoT-Plattform verbinden können.

• Identity & Access Management: Ein Querschnittsthema ist die Authentifizierung und Autorisierung der Geräte, also die Beantwortung der Fragen „Welches Gerät ist es?“ und „Was darf das Gerät?“. IoT-Plattformen bringen üblicherweise Werkzeuge zur Geräteverwaltung und dem Berechtigungsmanagement mit und können etwa Zertifikate und Zugangs-Tokens erzeugen, die letztlich auf den Geräten installiert werden.

Die Auswahl an IoT-Plattformen ist mittlerweile groß

IoT-Plattformen sind die zentrale Komponente im Technologie-Stack für das IoT und stellen die Middleware, also das Bindeglied, zwischen den Geräten und den Softwareapplikationen dar. Sie werden auch als IoT Application Enablement Platforms (AEP) bezeichnet, was ihre wichtige Rolle im IoT-Ökosystem unterstreicht.

In ihrer grundlegenden Funktion ermöglicht eine IoT-Plattform Konnektivität; sie stellt also sicher, dass die Geräte im System miteinander verbunden sind und Informationen dorthin gelangen, wo sie verarbeitet werden sollen. Daneben können sie auch noch weitere Dienste enthalten wie zum Beispiel Geräte-Management, Datenaufbewahrung, Verarbeitungsregeln, oder auch Datenanalyse und -visualisierung.

Glücklicherweise müssen Betreiber von IoT-Architekturen die Plattformen heute nicht mehr von Grund auf entwickeln. Das Angebot an anwendungsfertigen IoT-Lösungen ist mittlerweile sehr umfangreich. Die Marktforscher von „IoT Analytics“ listen derzeit über über 600 IoT-Plattformen auf – Tendenz steigend. Dabei gibt es nicht die eine „richtige“ IoT-Plattform. Bei der Auswahl spielen viele Faktoren eine Rolle, wie zum Beispiel Skalierbarkeit, Sicherheit und der Grad der Verbreitung. Je nach Anwendungsfall sind diese jeweils individuell zu gewichten.

Cloud und KI sind das „Gehirn“ einer IoT-Architektur

Das Internet of Things ebnet den Weg in eine völlig neue technologische Ära. Den besonderen Wert machen allerdings die in der Cloud gehosteten Daten- und KI-Anwendungen aus. Digitale Gerätesteuerung mittels Sensoren und Aktuatoren gibt es schließlich schon lange.

Das große Potenzial des IoT liegt daher in der intelligenten Analyse großer Datenmengen, die detailreiche Aufschlüsse über alle Ereignisse im cyberphysischen System geben. Damit diesen die Gerätedaten in hoher Aktualität und Qualität geliefert werden können, ist eine passend eingerichtete IoT-Architektur notwendig.

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Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal Industry of Things erschienen.

* Janek Bettinger arbeitet bei der AUSY Technologies Germany AG als Software Engineer und Architekt im Cloud-Umfeld, darüber hinaus leitet er die unternehmensinterne Expertengruppe „Internet of Things“.

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