Protokolle für das Internet der Dinge

Die Anpassung des Internets für das IoT gehört derzeit zu den wichtigsten Prioritäten vieler globaler Standardisierungsstellen. 

Wenn Ihr System keine TCP-Funktionen benötigt und mit den begrenzteren UDP-Funktionen auskommt, können Sie die Größe des gesamten Codebedarfs für Ihr Produkt reduzieren, indem Sie das TCP-Modul komplett entfernen. Dies ist der Beitrag von 6LoWPAN (für WSN) und CoAP (Lightweight IP) zur Welt des IoT.

CoAP

Obwohl die Webinfrastruktur verfügbar ist und für IoT-Geräte eingesetzt werden kann, ist sie für die meisten IoT-Anwendungen zu aufwendig. Im Juli 2013 hat die IETF das CoAP (Constrained Application Protocol) für die Verwendung mit verlustbehafteten (eingeschränkten) Knoten und Netzwerken mit geringem Energieverbrauch(Low-Power and Lossy Nodes and Networks, LLNs) veröffentlicht. CoAP ist wie HTTP ein RESTful-Protokoll.

CoAP ist semantisch im Einklang mit HTTP und verfügt sogar über Eins-zu-Eins-Mapping mit HTTP. Netzwerkgeräte werden durch kleinere Mikrocontroller mit geringem Flash-Speicher und RAM beschränkt, während die Beschränkungen in lokalen Netzwerken, wie 6LoWPAN, auf hohe Paketfehlerraten und einen geringen Durchsatz (zig Kilobit pro Sekunde) zurückzuführen sind. CoAP eignet sich mitunter gut als Protokoll für Geräte, die über Batterien oder Energy-Harvesting betrieben werden.

Merkmale von CoAP: CoAP verwendet UDP

 Da CoAP UDP verwendet, werden einige TCP-Funktionen direkt in CoAP repliziert. Beispielsweise unterscheidet CoAP zwischen überprüfbaren Nachrichten (die eine Bestätigung erfordern) und nicht überprüfbaren Nachrichten.

•  Anforderungen und Antworten werden asynchron über CoAP-Nachrichten ausgetauscht (im Gegensatz zu HTTP, wo eine vorhandene TCP-Verbindung verwendet wird).

•  Alle Header, Methoden und Statuscodes sind binär codiert, wodurch sich der Protokoll-Overhead reduziert. Allerdings ist dabei ein Protokollanalyseprogramm für die Fehlerbehebung von Netzwerkproblemen erforderlich.

•  Anders als bei HTTP hängt die Fähigkeit, CoAP-Antworten zwischenzuspeichern, nicht von der Anforderungsmethode, sondern vom Antwortcode ab.

  CoAP erfüllt alle Anforderungen für ein äußerst leichtgewichtiges Protokoll, das die Eigenschaften einer dauerhaften Verbindung aufweist. Es hat semantische Ähnlichkeit mit HTTP und ist ein RESTful-Dienst (Ressourcen, Ressourcenbezeichner und Bearbeitung dieser Ressourcen über eine einheitliche API (Application Programming Interface)). Für Entwickler mit Hintergrund im Webbereich ist die Verwendung von CoAP relativ einfach.

  MQTT

  MQ Telemetry Transport (MQTT) ist ein Open-Source-Protokoll, das für Geräte mit Beschränkungen und Netzwerke mit geringer Bandbreite, hoher Latenz oder großer Unzuverlässigkeit entwickelt und optimiert wurde. Es handelt sich um einen besonders leichtgewichtigen Nachrichtentransport nach dem Veröffentlichen-Abonnieren-Prinzip, der sich ideal für die Vernetzung von kleinen Geräten und Netzwerken mit geringer Bandbreite eignet. MQTT ist bandbreiteneffizient, datenagnostisch und kontinuierlich sitzungspräsent, da es TCP verwendet. MQTT soll die Ressourcenanforderungen von Geräten reduzieren und gleichzeitig für Zuverlässigkeit und eine gewisse Liefersicherheit mit verschiedenen Servicegraden sorgen.

  MQTT zielt auf große Netzwerke für kleine Geräte ab, die von einem Back-End-Server im Internet überwacht oder gesteuert werden müssen. Es ist nicht für die Übertragung von Gerät zu Gerät geeignet und auch nicht für das Multicasting von Daten an viele Empfänger. MQTT ist einfach strukturiert und bietet nur wenige Steueroptionen. Anwendungen, die MQTT verwenden, sind üblicherweise eher „langsam“, wobei die Echtzeit in diesem Fall normalerweise in Sekunden gemessen wird.

  Vergleich potenzieller IoT-Protokolle

  Cisco ist das Herzstück des Internets, und die IP-Ausrüstung dieses Unternehmens findet sich überall. Cisco nimmt heute aktiv an der Evolution des IoT teil. Das Unternehmen erkennt, welches Potenzial eine Vernetzung physischer Objekte, das Abrufen von Daten aus unserer Umgebung und die Verarbeitung dieser Daten zur Verbesserung unseres Lebensstandards bietet.

  Diese internetspezifischen IoT-Protokolle wurden entwickelt, um die Anforderungen von Geräten mit wenig

  Speicher und von Netzwerken mit geringer Bandbreite und hoher Latenz zu erfüllen.

  HTTP kann ein schwergewichtiges Protokoll für ein IoT-Gerät sein. Die Nachrichten sind umfangreich, da sie im Klarschriftformat gesendet werden. Für IoT-Geräte ist die Nutzlastgröße oftmals eine Einschränkung. Bei einer großen Gerätefamilie kann das Melden und Annehmen von Befehlen wesentlich effizienter mit einem leichteren Protokoll erfolgen. MQTT wurde als Antwort auf diese Probleme vorgeschlagen. MQTT ist kein IETF-Standard, sondern wird von IBM und der Eclipse Foundation vorangetrieben.

  Fazit

  Das Internet der Dinge beinhaltet den Begriff „Internet“. Mitunter werden Geräte als IoT-Geräte angeboten, ohne dass das Internetprotokoll verwendet wird. Das ist zu erwarten. Heute ist das Internet der Dinge oder IoT ein derart starkes Konzept (manche würden auch von einem Hype sprechen), dass alle Hersteller den enormen Medienrummel um IoT nutzen möchten.

  Das Internetprotokoll (IP) fungiert als Träger. Es kann genauso viele Protokolle für das IoT umfassen wie es das bereits für das Web tut. Viele Branchenexperten verlangen nach einer Protokollstandardisierung. Doch wenn es eine solch große Anzahl an Protokollen für das Web gibt, warum sollte es nicht genauso viele für das IoT geben? Sie können die Protokolle auswählen, die Ihrem Bedarf entsprechen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die IoT-Protokolle relativ jung sind und ihre Zuverlässigkeit noch unter Beweis stellen müssen. Man darf nicht vergessen, dass IP-Version 4 das Internet erst zur Realität werden ließ. Mittlerweile wird IP 6 im großen Umfang bereitgestellt, und das IoT ist die Killeranwendung, auf die Telekommunikationsanbieter schon gewartet haben, um die erforderliche Investition zu rechtfertigen.

  Die Positionierung für die einzelnen IoT-Protokolle wirft ähnliche Fragen auf. Mit der Ausnahme von HTTP sind alle diese Protokolle als Echtzeit-IoT-Protokolle nach dem Veröffentlichen-Abonnieren-Prinzip positioniert und bieten Unterstützung für Millionen von Geräten. Die Auswahl des richtigen Protokolls für Ihr Produkt ist von großer Bedeutung und hängt davon ab, wie Sie „Echtzeit“ (Sekunden, Millisekunden oder Mikrosekunden) und „Dinge“ (WSN-Knoten, Multimediagerät, tragbares persönliches Gerät, medizinischer Scanner, Motorsteuerung usw.) definieren. Grundsätzlich sind diese Protokolle alle sehr unterschiedlich.

  Abgesehen vom Hardware- und Softwaredesign ist da noch das Design der IoT-Datensysteme. Man muss zwischen Daten und Anwendung unterscheiden – nur so können wir komplett neue Dinge erschaffen. Dinge, die wir uns heutzutage noch nicht einmal vorstellen können. Für die meisten Entwickler eingebetteter Systeme erfordert der Fokus auf die vom System generierten Daten einen neuen Denkansatz. Diese Daten haben einen Wert. Beim eingebetteten Systemdesign haben wir ein sehr gutes Verständnis von der Architektur des „Dings“, des lokalen Netzwerks und sogar des Gateways. Prozessoren, Sensoren, drahtlose Konnektivität, Gateways, IP-Netzwerke und Sicherheit sind alles Elemente, mit denen Entwickler eingebetteter Systeme bestens vertraut sind.

  Die neue Herausforderung für die Embedded-Community besteht darin, den Wert unserer Daten zu nutzen, indem eine Art von Cloud Computing eingesetzt wird. Um die Daten des eingebetteten Systems zu monetarisieren, kann auf Cloud Computing nicht verzichtet werden, wobei es sich um privates, ausgelagertes oder öffentliches Cloud Computing handeln kann. Das ist ein neues Paradigma für die Embedded-Community.

  Hardware- und Softwaretechnologie, Infrastruktur und Cloud Computing für eingebettete Systeme werden aktiv getestet und bereitgestellt und fördern das aufstrebende Internet der Dinge. Um wirklich erfolgreich zu sein und die 50 Milliarden Geräte bis zum Jahr 2020 Realität werden zu lassen, benötigen wir dieselben offenen Standards und das gleiche Niveau an Entwicklung und Zusammenarbeit, das zum Internet der Menschen (sprich dem Web) geführt hat. Die IPSO Alliance setzt sich für IP-Standards ein, um die von Produktentwicklern gewünschten Referenzarchitekturen zu schaffen.

  Das IoT für eingebettete Systeme ist mit einer neuen industriellen Revolution gleichzusetzen. Das Wachstumspotenzial für die Embedded-Industrie ist enorm. Um dieses Potenzial zu realisieren, muss die Branche das neue IoT-Paradigma annehmen. Nun wissen wir, was zu tun ist. Zwar stehen noch keine ausgereiften, etablierten Standards und Normen für die einzelnen Strukturelemente zukünftiger IoT-Systeme zur Verfügung, wie einfache Konfigurierbarkeit oder sichere Remotefirmware-Upgrades, aber das sollte niemanden davon abhalten, ein System zu erstellen, das Kunden Nutzen bringt.