Was ist ein IoT-Gateway und wie wählt man es aus?

Das IoT-Ökosystem besteht in der Regel aus Endgeräten, IoT-Gateways und einer Cloud-Plattform. Die communication zwischen diesen verschiedenen Komponenten wird durch verschiedene communication-Protokolle ermöglicht. Das Hauptinteresse dieses Artikels gilt dem IoT-Gateway, das für die Übersetzung dieser verschiedenen communication-Protokolle verantwortlich ist. Es handelt sich dabei um das gleiche Konzept wie bei der Telekommunikation, das das gleiche Funktionsprinzip wie Ihr Internet-Router emuliert.

Der Internet-Router verbindet die an Ihr Heimnetzwerk angeschlossenen Geräte mit dem Local Area Network (LAN) Ihres Internetdienstanbieters (ISP), aber im Falle eines IoT-Gateways würde das Gateway mehrere Sensoren unterschiedlicher Art und Konfiguration mit einer Cloud-Plattform verbinden.  

Herausforderungen bei der IoT-Implementierung

Bevor wir uns nun näher mit dem Funktionsprinzip des IoT befassen, lohnt es sich, einen Blick auf einige der Herausforderungen zu werfen, die IoT-Systemen auferlegt sind und die zur Verwendung eines IoT-Gateways führen.

1. Problem der Konnektivität

Die Konnektivität zwischen Geräten und der Cloud-Plattform ist ein kritisches Thema im IoT-Bereich. Da die meisten Endgeräte auf Energieeffizienz optimiert sind, können sie sich nicht direkt mit dem Internet oder einem Wide Area Network (WAN) verbinden. Stattdessen werden diese Geräte in der Regel in heterogenen Funknetzen betrieben, wie z. B. ZigBee, BLE, Z-Wave, LORAWAN, etc. - um Daten zu übertragen. Um dieses Problem zu lösen, können IoT-Geräte zwei Formen annehmen:

• Geräte und Sensoren auf Edge-Ebene werden einen direkten Weg in die Cloud bieten.
• Geräte und Sensoren auf Randebene bilden Aggregationen und Cluster um Gateways und Router zwischen den Sensoren und dem WAN.

Die erste Form ist kostspielig und erfordert Geräte, die über integrierte Netzwerkkonnektivitätsmodule wie 2G/3G, Wi-Fi, Ethernet usw. verfügen. Einige der gängigen Protokolle für die Kommunikation zwischen Geräten und der Cloud-Plattform sind Constrained Application Protocol (CoAP), Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), HTTP, Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) usw. Dabei sollten die Geräte über eine ausreichende Rechenleistung und E/A-Unterstützung verfügen. Außerdem unterstützen diese Geräte keine Over-the-Air (OTA)-Firmware-Updates, so dass der Endnutzer für die Aktualisierung der Geräte-Firmware verantwortlich ist.

Eine idealere und kostengünstigere Lösung wäre daher die zweite Form, bei der Geräte mit stromsparenden Funknetzen zu einem zentralen IoT-Gateway zusammengeführt werden, um eine Verbindung zur Cloud-Plattform herzustellen.

2. Herausforderung Interoperabilität

Aufgrund der Verwendung von Geräten verschiedener Hersteller und unterschiedlicher Konfigurationen ist die Interoperabilität eine der größten Herausforderungen beim IoT in großem Maßstab. Es gibt zwei Arten von Protokollen, die in IoT-Anwendungen verwendet werden. Südgebundene Protokolle sind die Protokolle, die eine Ko1TP14Kommunikation mit dem Gerät ermöglichen und darauf abzielen, den Stromverbrauch der batteriebetriebenen Endgeräte zu senken. Beispiele sind ZigBee, Modbus, LoRaWAN. Northbound-Protokolle sind für die communication in Richtung Cloud-Plattform verantwortlich, die hochsicher sind und auf dem Publish/Subscribe-Mechanismus basieren. CoAP, HTTPS, MQTT und AMQP sind einige beliebte Northbound-Protokolle.

Eine IoT-Anwendung würde beide Arten von Protokollen nutzen. Daher sollte eine Lösung verwendet werden, die eine angemessene Harmonie zwischen diesen Protokollen ermöglicht.  

3. Herausforderung Sicherheit

Die Sicherheit ist ein wichtiges Anliegen, wenn es um Daten geht, die von Sensoren an die Cloud gesendet werden. Diese Daten sollten gesichert werden, um die Privatsphäre der Nutzer zu schützen und die Verbraucher vor betrügerischen Handlungen zu bewahren. Southbound-Protokolle bieten Sicherheitsmechanismen wie Whitelisting, OTA-Aktivierung und Verschlüsselung. Geräte, die mit einer Cloud-Plattform kommunizieren, sollten sich beim Server autorisieren und die Daten verschlüsseln, bevor sie in die Cloud-Plattform übertragen werden. Es sollte einen harmonischen Mechanismus zur Überprüfung dieser Sicherheitsanforderungen in einer IoT-Anwendung geben.

4. Herausforderung der Datenfilterung und -verarbeitung

Bei der direkt mit der Cloud verbundenen Architektur werden alle Daten an die Cloud gesendet, was nicht ideal ist, da einige unnötige Daten anfallen können, die wiederum Bandbreite verschwenden würden. Außerdem können die Daten bei einem Ausfall der Konnektivität verloren gehen. Daher ist eine Lösung zur Entschärfung dieses Problems unerlässlich.

Wie funktioniert ein IoT-Gateway?

Nachdem einige der Herausforderungen bei IoT-Anwendungen identifiziert wurden, ist es nun an der Zeit zu bewerten, wie ein IoT-Gateway diese Herausforderungen bewältigen kann.

Wie wir im Fall des Konnektivitätsproblems gesehen haben, würde die Verbindung einer großen Anzahl von Geräten mit einem IoT-Gateway im Idealfall die Kosten und die Komplexität von IoT-Anwendungen verringern. Dies kann durch eine in IoT-Gateways aktivierte Routing-Funktion erreicht werden. Ein IoT-Gateway würde Routing-Protokolle wie das Border Gateway Protocol (BGP), Open Shortest Path First (OSPF), Routing Information Protocol (RIP) und RIPng unterstützen. Das Ziel eines bestimmten Datenpakets wird mit Hilfe einer Routing-Tabelle ermittelt.

Um die Herausforderung der Interoperabilität zu bewältigen, fungieren IoT-Gateways als Brücke zwischen den IoT-Geräten und der Cloud-Plattform. Ein IoT-Gateway stellt die Verbindung zu den Endgeräten über spezifische südgerichtete Protokolle her, speichert und analysiert alle erforderlichen Daten von den Geräten und sendet die Daten über nordgerichtete Protokolle zur Verarbeitung und Analyse an die Cloud-Server. Dieser Prozess wird als Protokollübersetzung bezeichnet. Außerdem ist dieser Prozess bidirektional und ermöglicht die Kommelekommunikation auf beiden Seiten.

Bei der Realisierung einer sicheren Verbindung spielt ein IoT-Gateway eine wichtige Rolle. Die grundlegende Form der Sicherheit in der Kommelekommunikation ist die Verwendung einer Firewall. Im Falle von IoT-Gateways wird eine Netzwerk-Firewall verwendet, die den Informationsfluss von einem Netzwerk zum anderen filtert und kontrolliert. Dadurch wird sichergestellt, dass nur die erforderlichen Ports durch Mechanismen wie die Portweiterleitung geöffnet werden. Sicheres Geräte-Onboarding ist eine weitere Sicherheitsfunktion, die von IoT-Gateways bei der Erstkonfiguration eines Geräts aktiviert wird. Dies ermöglicht eine angemessene Verschlüsselung.

Die Datenfilterung und -verarbeitung erfolgt durch Edge Computing, bei dem die Rohdaten aggregiert, korreliert und synchronisiert werden, um das Datenvolumen und die Netzwerklatenz zu reduzieren. Nach Ausführung dieser Edge-Computing-Funktionen werden die vorverarbeiteten Daten an die Cloud-Plattform übertragen. Dadurch werden die Kosten für die Nutzung hochleistungsfähiger Endgeräte und Sensoren weitgehend reduziert. Abgesehen von den oben genannten Funktionen kann Edge Computing die folgenden Techniken einsetzen, um das Problem der Datenfilterung und -verarbeitung zu entschärfen:

• Daten zur Denaturierung
• Analyse der Sicherheit und Erkennung von Eindringlingen
• Schlüsselverwaltung
• Regelmaschinen/Ereignisprozessoren
• Caching und Speicherung

Merkmale von IoT-Gateways

Die Merkmale von IoT-Gateways hängen in hohem Maße von ihren spezifischen Anwendungs- und Leistungsanforderungen ab. Wir können jedoch einige der grundlegenden Funktionen identifizieren, die nur von einfachen IoT-Anwendungen verwendet werden, und erweiterte Funktionen, die von komplexeren IoT-Gateways wie industriellen IoT-Gateways benötigt werden. Die wichtigsten Merkmale sind:

• Gerätekonnektivität trotz der Geräteeigenschaften, -größe und -konfiguration und communikationsprotokoll.
• IoT-Gateways bieten Sicherheitsverbesserungen für die IoT-Anwendung und verstärken die Sicherheit.
• Sie sind in der Lage, Metriken und Analysen über die IoT-Anwendung bereitzustellen, einschließlich: Datennutzung, Signalintegrität, Anzahl der Fehlerereignisse, Bandbreitennutzung, Netzwerkzustand und Details über verbundene Geräte und Clients.
• Ermöglichung von Traffic Shaping und Quality of Service (QoS), die bei Einsätzen nützlich sind, die bei Überlastung oder variabler Netzlast ein garantiertes Serviceniveau benötigen.
• Einige IoT-Gateways sind zu VLAN-Funktionen fähig, bei denen eine Netzwerksegmentierung von Geräten oder Benutzern je nach Anwendungsanforderungen vorgenommen wird.
• Failover und Out-of-Band-Verwaltung sind einige der fortschrittlichen Funktionen bei Anwendungen mit hochmobilen Endgeräten.
• Einige IoT-Gateways bieten anpassbare Firmware, die OTA-Updates ermöglicht, was bei großen IoT-Knoten sehr nützlich ist.
• IoT-Gateways sind je nach ihren Spezifikationen und Anwendungsanforderungen in der Lage, Edge Computing durchzuführen.
• Sie bieten Erweiterungsmöglichkeiten bei der Integration von Geräten mit unterschiedlichen Protokollen und Konfigurationen sowie von verschiedenen Cloud-Plattformen.

Welche Vorteile bietet der Einsatz eines IoT-Gateways?

• Die Verwendung eines IoT-Gateways verkürzt die Markteinführungszeit, da mehrere Protokollschnittstellen und Anwendungsszenarien vorintegriert werden.
• Die Plug-and-Play-Architektur würde eine einfache Integration von Endgeräten ermöglichen und den Zeitaufwand für die Hinzufügung neuer süd- und nordgerichteter Protokollschnittstellen erheblich reduzieren.
• Die Edge-Computing-Fähigkeit wird die Reaktionszeit verbessern und die Latenzzeiten im Netz verringern. Auf der anderen Seite werden dadurch die Übertragungskosten gesenkt und die Datenanalyse in der Cloud-Plattform verbessert.
• IoT-Gateways werden die Netzsicherheit erhöhen und den Netzverkehr reibungslos verwalten, wodurch Datenschutz und Privatsphäre gewährleistet werden.
• Sie unterstützen sowohl drahtgebundene als auch drahtlose communication-Protokolle und ermöglichen so ein breites Spektrum an Anwendungen.

Wie wählt man das richtige IoT-Gateway aus?

Berücksichtigen Sie diese Faktoren bei der Auswahl des richtigen Kandidaten für Ihre IoT- oder Industrial IoT-Anwendung.

• Definieren Sie Ihr Ziel für den Einsatz eines IoT-Gateways richtig. Soll Ihr Gateway Datenanalysen oder Leistungsmetriken liefern?
• Beurteilen Sie das Datenvolumen und die Datenübertragungsraten, die von Ihrem Gateway verarbeitet werden müssen. Haben Sie Tausende oder Hunderte von Sensoren? Wie schnell würden die Sensoren die Daten aufzeichnen und übertragen?
• Ermitteln Sie, ob Sie Daten filtern, aggregieren, zwischenspeichern oder speichern müssen. Wählen Sie die Gateways mit der erforderlichen Edge-Computing-Funktionalität.
• Wo soll das Gateway installiert werden? Identifizieren Sie verschiedene Standards, die Ihr Gateway erfüllen soll.
• Prüfen Sie auf korrekte Zertifizierungen. Gateway-Modelle sollten als elektronische Produkte nach FCC/CE/IC zertifiziert sein.
• Welche Sicherheitsmerkmale sind erforderlich?
• Welches sind die erforderlichen communikationsprotokolle, die von Ihren Endgeräten und Ihrer Cloud-Plattform verwendet werden? Werden sie von Ihrem Gateway unterstützt?
• Prüfen Sie schließlich, ob Ihre Anwendung in Zukunft benutzerdefinierte Funktionen benötigt, und überprüfen Sie die Anpassungsoptionen des Gateways.