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02.11.2017

Leitfaden zur Erklärung wesentlicher IoT-Begriffe

In der Datenkommunikations- und in der Computer-Industrie neigen wir zu einer oft undurchdringliche Wortsuppe, die von Protokollen, Standards und Technologien handelt. Warum sollte das rund um das Internet der Dinge (IoT) anders sein? Dies ist der Versuch, etwas den Nebel aufzuhellen und etwas Licht in die IoT-Sprache zu bringen.

Mathias Hein

IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network (6LoWPAN)

6LoWPAN ist ein Kommunikationsprotokoll der IETF zur Funkdatenübertragung. Der Standard umfasst dabei auch Header-Kompressionsverfahren, die es effizienter machen, IPv6-Pakete über IEEE 802.15.4 Netze zu übermitteln. Das Internet Protokoll (IP) bildet hierbei die Grundlage für die Netzstrukturen des Internets und für lokale Netze. 6LoWPAN verfolgt das Ziel, drahtlose PANs mit möglichst geringem Aufwand in bestehende Netze integrieren zu können. Die Protokollmechanismen wurden in den RFCs 4944, 4919 und 6282 festgelegt.

Advanced Message Queueing Protocol (AMQP)

AMQP ist ein Open-Source-Standard, der es verschiedenen Anwendungen ermöglicht, über ein beliebiges Netzwerk und von jedem Gerät aus miteinander zu kommunizieren. Es stellt ein binäres Netzwerkprotokoll auf Anwendungsebene für eine Message-orientierte Middleware (MOM) dar. AMQP ist unabhängig von der Programmiersprache. Um der großen Verbreitung von Java Message Service (JMS) Rechnung zu tragen, wurden alle Funktionen von JMS in dem Protokoll eingearbeitet. Dies ermöglicht es den Entwicklern, weiter die JMS-Schnittstelle zu nutzen, während sich MOMs untereinander mit AMQP verständigen können.

Bluetooth (verschiedene Arten)

Für IoT werden zwei Hauptformen des drahtlosen Bluetooth-Kommunikationsprotokolls genutzt:

  • Die Standard-Variante wird in den meisten der Smart-Home-Komponenten eingesetzt. Hier reicht das Produktspektrum vom vernetzten Kühlschränken, über wasserfeste Lautsprecher bis hin zu Türschlössern.
  • Bluetooth Low Energy (BLE) bietet für die Vernetzung den Vorteil der  längeren Lebensdauer der Batterie.

Beide Blueooth-Varianten erhielten im Dezember 2016 ein Update mit Bluetooth 5. Dieser neue Standard erweitert nicht nur die effektiven Reichweiten von Bluetooth-Geräten, sondern erhöht auch den Durchsatz.

Zelluläre Daten

Nicht immer der effizienteste Weg, um miteinander zu kommunizieren. Viele IoT-Lösungen nutzen die drahtlose Datenübermittlung der Mobilfunkbetreiber für den Datentransport.

Constrained Application Protocol (CoAP)

Das Constrained Application Protocol (CoAP) ist ein von der IETF als Web-Transfer-Protokoll für Geräten entwickelt, die keine große Rechenleistung aufweisen. Hierbei handelt es sich um ein speziell für eingebettete Systeme   weiterentwickeltes Protokoll, welches die Grundzüge von Representational State Transfer (REST) übernimmt. Das Protokoll wurde im RFC 7252 veröffentlicht.

Data Distribution Service (DDS)

Der Data Distribution Service (DDS) wurde von der Object Management Group Standard spezifiziert. DDS stellt eine Middleware zur datenzentrierten Kommunikation in hochdynamischen verteilten Systemen bereit. Zugrunde liegt ein Publisher-Subscriber-Konzept, das deterministische Ressourcenverwaltung unterstützt. Die Spezifikation unterteilt sich in zwei Bereiche:

  • Data-Centric Publish-Subscribe (DCPS) beschreibt die grundlegenden Konzepte zur Datenverteilung
  • Data Local Reconstruction Layer (DLRL) stellt eine Abstraktionsschicht für Anwendungen auf Basis von DCPS zur Verfügung

EC-GSM-IoT

EC-GSM nutzt 200 kHz pro Kanal in alten GSM-Netzen (2G). Die Datenraten liegen bei circa 70 bis zu 240 KBit/s. Um eine vorhandene GSM-Infrastruktur für EC-GSM fit zu machen, müssen die Netzwerkkomponenten ein Software-Upgrade erhalten.

HomeKit

HomeKit ist das Heimautomatisierungs-Framework von Apple, mit dem sich via iPhone zahlreiche elektronische Funktionen im und am Haus steuern lassen. Mit der Schnittstelle HomeKit können Nutzer über ihr iPhone oder iPad elektronische Funktionen in ihrer Wohnung kontrollieren und steuern. Das Framework ist jedoch nicht auf bestimmte Hersteller fixiert, sondern es können Geräte unterschiedlicher Hersteller angesteuert werden. Das Framework ermöglicht dem Nutzer, auch wenn er außer Haus ist, Zugriff auf die Beleuchtung, auf Schlösser, Thermostate oder Einbruchssensoren. Die Daten sind dabei jeweils verschlüsselt, sodass niemand von Außen Zugriff auf das Framework haben kann.

IoTivity

IoTivity ist ein Open-Source-Projekt, welches sich die Aufgabe gestellt hat, einen Standardschicht für IoT-Konnektivität zwischen unterschiedlichen Geräten zu schaffen. Dieser Standard wird von einer Reihe der schlagkräftigen HighTech-Unternehmen (beispielsweise Microsoft, Intel, Qualcomm, LG und Samsung) unterstützt. In dieses Open-Source-Projekt ging  im Oktober 2016 ging die Gruppe namens AllSeen Alliance auf, welche die Herausgeber eines Wettbewerbsstandards namens AllJoyn waren.

JavaScript Object Notation for Linked Data (JSON-LD)

JSON-LD bezeichnet Empfehlungen des World Wide Web Consortium (kurz W3C),m weltweit verknüpfte Daten im leichtgewichtigen JavaScript Object Notation (JSON) Format einzubetten. Damit können Webservices und Webapplikationen, die ihre Daten vorzugsweise in JSON austauschen, leichten Anschluss zum semantischen Web finden und problemlos zusammenarbeiten.

Long Range Wide Area Network (LoRaWAN)

LoRaWAN ist ein Low-Power-Wireless-Netzwerkprotokoll, das für Kommunikation im entwickelt wurde. Die LoRaWAN-Spezifikation wird von der LoRa Alliance festgelegt, ist frei verfügbar und nutzt die Chirp Spread Spectrum Modulationstechnik "LoRa" der Semtech Corporation. LoRaWAN ist asymmetrisch auf Energieeffizienz der IoT-Geräte ausgerichtet und erreicht hierbei hohe Reichweiten (>10 km) für die Uplink-Kommunikation, also das Senden vom IoT-Gerät an das Netz. Die Datenübertragungsrate beträgt zwischen 292 Bit/s und 50 Kilobit/s. Die Netz-Architektur ist sternförmig aufgebaut. Die Endgeräte kommunizieren mit Gateways, welche die Datenpakete an einen Netzwerkserver senden. Der Netzwerkserver verfügt über Schnittstellen, um an IoT Plattformen und Applikationen angebunden zu werden. 

LTE Cat M1

LTE Cat M1 ist eine Erweiterung des bestehenden LTE-Standards. Sogar die Modulationsarten sind gleich. Das führt dazu, dass viele LTE-Basisstationen mittels Software Update um LTE Cat M1 erweitert werden können. Zu den typischen Einsatzfeldern von LTE Cat-M1 gehören beispielsweise das Tracking von Fahrzeugen, Transportbehältern und Geräten sowie die Überwachung von Systemen der Strom- und Wasserversorgung. 

MQ-Telemetrietransport (MQTT)

MQTT ein offenes Nachrichtenprotokoll für die Maschine-Maschine-Kommunikation (M2M), das die Übertragung von Telemetriedaten in Form von Nachrichten zwischen Geräten ermöglicht, trotz hoher Verzögerung oder beschränkten Netzwerken. Seit 2013 wird MQTT über die Organization for Advancment of Structured Information Standards (OASIS) standardisiert.

Ein MQTT-Broker hält dabei die gesamte Datenlage seiner Kommunikationspartner fest, und dieses Wissen kann als Zustands-Datenbank benutzt werden. Dadurch wird es möglich, kleine nicht-performante MQTT-Geräte mit einem MQTT-Broker zu verbinden, wobei die Geräte Daten einsammeln und/oder Befehle entgegen nehmen, während ein komplexes Lagebild nur auf dem MQTT-Broker entsteht und hier oder durch einen leistungsfähigen Kommunikationspartner ausgewertet werden kann. Eingriffe können so von einer oder mehreren leistungsfähigen Instanzen an den MQTT-Broker übermittelt und auf die einzelnen Geräte verbreitet werden.

Near-Field Communication (NFC)

Die Nahfeldkommunikation basiert auf de RFID (Radio Frequency IDentification) Technik und ist ein internationaler Übertragungsstandard zum kontaktlosen Austausch von Daten per elektromagnetischer Induktion über kurze Strecken (wenige Zentimeter) und einer Datenübertragungsrate von maximal 424 kBit/s.

Narrowband-IoT (NB-IoT)

Beim Narrowband-IoT handelt es sich um eine Weiterentwicklung von LTE Cat-M1 und nutzt ebenfalls das LTE-Mobilfunknetz. Im Unterschied zu LTE Cat-M1 nutzt NB-IoT sehr schmale Übertragungskanäle von 180 kHz. Die Datenrate liegt bei maximal 250 KBit/s. Als Vorteile von Narrowband-IoT nennen Deutsche Telekom und Vodafone die niedrigeren Kosten und die gute Versorgung in Gebäuden.

Physical Web

Das Physical Web ist ein von Google veröffentlichtes Konzept zur "schnellen und nahtlose Interaktionen mit physischen Objekten und Orten". Das Physical Web sorgt unter anderem dafür, dass Nutzer nicht immer neue Apps installieren müssen, sondern die Nachrichten auf einer einheitlichen Oberfläche betrachten können. Es lässt sich in nahezu allen Fällen einsetzen, in denen Nutzer an Informationen über ihre Umgebung interessiert sind oder in denen eine Interaktion zwischen ihnen und smarten Objekten nötig ist.

Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)

Unter SCADA versteht man das Überwachen und Steuern technischer Prozesse mittels eines Computers. SCADA-Systeme implementieren typischerweise eine verteilte Datenbasis, die Datenpunkte beinhaltet. Ein Datenpunkt enthält einen Ein- oder Ausgangswert, der durch das System überwacht und gesteuert wird. Ein physischer Datenpunkt stellt einen Eingang oder Ausgang dar, während ein berechneter Punkt durch mathematische Operationen aus dem Zustand des Systems hervorgeht. Normalerweise werden Datenpunkte als eine Kombination von Werten mit Zeitstempel behandelt. Eine Serie von Datenpunkten ermöglicht beispielsweise eine historische Auswertung.

Sigfox

SigFox ist ein französisches Telekommunikationsunternehmen, das ein eigenes, globales Funknetzwerk aufbaut, um Objekte mit geringem Energiebedarf, geringen Datenratendrahtlos und einem möglichst geringen Stromverbrauch mit dem Internet zu verbinden. Im  freien Gelände können Reichweiten von 30 bis 50 km, in Städten drei bis zehn km erreicht werden. Maximal 140 Mitteilungen pro Tag können pro Endgerät übermittelt werden. Die Message-Länge ist auf zwölf Byte begrenzt. SigFox arbeitet im SubGHz Frequenzband (868 MHz für Europa) und bedient sich der Narrowband-Technik mit BPSK (Binary Phase Shift Keyin) als Modulationsverfahren.

Short Message Service (SMS)

Die normalen alten Textnachrichten können ein vollkommen akzeptables Kommunikationsmedium für bestimmte Arten von IoT-Geräten sein. Hier sind solche Geräte gemeint, die über ein großes geographisches Gebiet verteilt sind und eine gewisse Verzögerungstoleranz aufweisen. Die schwedische Schädlingsbekämpfungsfirma Anticimex hat beispielsweise intelligente Fallen entwickelt, die das Unternehmen über die Aktivitäten von Nagetieren auf Basis einer SMS-Übermittlung informieren.

Web Thing Model

Das auf den Ideen des World Wide Web Consortiums(W3C) aufbauende  physikalische IoT Framework nutzt die vorhandenen Web-Technologien  zur Kommunikation mit den IoT-Komponenten. 

eXtensible Messaging and Presence Protocol (XMPP)

Das XMPP ist ein offenes Kommunikationsprotokoll, welches in den RFCs 6120, 6121 und 6122 veröffentlicht wurde. XMPP basiert auf dem Extensible Markup Language (XML) Standard und ermöglicht den Austausch von Daten.

Zigbee

ZigBee ist eine Spezifikation für drahtlose Netzwerke mit geringem Datenaufkommen. Der Schwerpunkt von ZigBee liegt in Netzwerken mit kurzen Reichweiten (10 bis 100 Meter). Es sind aber auch Reichweiten von mehreren Kilometern möglich. Die ZigBee-Spezifikation erweitert den IEEE 802.15.4 Standard um eine Netzwerk- und Anwendungsschicht. Die Spezifikation ist eine Entwicklung der ZigBee-Allianz,

Z-Wave

Z-Wave ist ein drahtloser Kommunikationsstandard, der vom Unternehmen Sigma Design und der Z-Wave Alliance für die Heimautomation entwickelt wurde. Die Funkkommunikation ist auf geringen Energieverbrauch und hohe Kommunikationssicherheit optimiert. Durch eine umfassende Spezifikation aller Kommunikationsaspekte und eine Zertifizierung der Produkte wird eine Interoperabilität aller mittels Z-Wave kommunizierenden Geräte erreicht. +