Das Internet der Dinge ist ein sich rasant entwickelndes Gesamtkonzept, das Forschung auf den Gebieten der Informatik, Netzwerktechnologie, Mikroelektronik und Sensortechnologie umfasst. Dieses Paradigma stellt die Hauptrichtung für die zukünftige Entwicklung von Netzwerktechnologien dar und wird viele der Routineaufgaben der Menschheit lösen, von der Messung von Umweltindikatoren bis zur Steigerung der Produktionseffizienz.

In diesem Artikel lernen wir die grundlegenden Definitionen des Internets der Dinge und seine Merkmale kennen, analysieren den Bereich und heben die Hauptprobleme und -aufgaben hervor, die der Umsetzung dieses Konzepts im Wege stehen.

Was ist ein IoT?

Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) ist ein Konzept, bei dem die meisten von Menschen verwendeten Geräte mit Mikrocontrollern zur Steuerung und Netzwerkschnittstellen für die digitale Datenübertragung und Kommunikation untereinander ausgestattet werden. Die RFID-Gruppe definiert IoT als ein weltweites Netzwerk von zugänglichen Einrichtungen, deren eindeutige Adressierung auf Standard-Kommunikationsprotokollen basiert .

Folgende Einsatzbereiche des Internet der Dinge lassen sich unterscheiden: Industrie und Produktion; Transport und Verkehr; Überwachung des technischen Zustands der Gebäudestrukturen, der Luftqualität, des Geräuschhintergrunds und des Energieverbrauchs; Abfallwirtschaft; intelligente Park- und Staudaten; intelligente Straßenbeleuchtung und Hausgebrauch.

Aus technischer Sicht handelt es sich bei IoT nicht um eine neue Technologie, sondern um eine Kombination vorhandener Tools, die die folgenden Funktionen bieten:

• Kommunikation und Interaktion - Objekte können eine Verbindung mit Internetressourcen oder untereinander herstellen und ihren Status aktualisieren. Von größter Bedeutung sind drahtlose Technologien wie GSM und UMTS, Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee und andere derzeit entwickelte Standards für drahtlose Netzwerke.
• Adressierbarkeit - im Internet der Dinge Die Objekte sind räumlich verteilt und müssen eindeutig adressiert sein.
• Mithilfe der Identifikation können Sie einem bestimmten Objekt Daten eindeutig zuordnen und abrufen. Die RFID- und NFC-Standards sind Beispiele für Technologien, mit denen sogar passive Objekte ohne eingebaute Energieressourcen identifiziert werden können.
• Sounding - IoT-Geräte erfassen Umgebungsinformationen mithilfe von Sensoren, tauschen sie aus oder ändern ihren Status unter ihrem Einfluss.
• Integrierte Informationsverarbeitung - Objekte können mit einem Prozessor oder Mikrocontroller zur sofortigen Analyse und Informationsverarbeitung ausgestattet werden.
• Lokalisierung - Geräte sind sich ihres physischen Standorts bewusst, was durch die Verwendung von GPS oder eines Mobilkommunikationsnetzwerks sowie von Beacons (z. B. WLAN- oder RFID-Lesegeräten mit bekannten Koordinaten) erreicht wird.

Die Hauptprobleme und Aufgaben

Das Konzept des Internet der Dinge ist umfassend und umfasst die Integration von Bereichen wie Hardware, Netzwerken und Software. Infolgedessen ergeben sich eine Vielzahl von Problemen und Aufgaben, die sowohl technologisch als auch sozialrechtlich sind.

Systemarchitektur

Das grundlegende Ziel des IoT ist die Entwicklung und Auswahl der richtigen Systemarchitektur, da der gesamte weitere Entwicklungsprozess von Entscheidungen in den Anfangsstadien der Forschung abhängt. Derzeit gibt es keine spezifische Vereinbarung über die IoT-Architektur, die allgemein anerkannt und verwendet werden könnte.

Am gebräuchlichsten sind Architekturmodelle mit drei und fünf Ebenen. Die erste ist grundlegend und umfasst die Wahrnehmungsebene, die Netzwerk- und die Anwendungsebene. Dieses Modell definiert die Grundidee des IoT, ist jedoch nicht detailliert genug, was für eine eingehendere Untersuchung erforderlich ist. In der Literatur werden daher Architekturen mit einer Vielzahl von Ebenen vorgeschlagen. Zum Beispiel ein Fünf-Ebenen-Modell, das zusätzlich Verarbeitungsschichten und eine Transportschicht enthält.

Andere Beispiele sind bewölkte und neblige Architektur. Forschern zufolge ist in jüngster Zeit ein Trend zur Entwicklung des Nebelcomputers aufgetreten, bei dem Sensoren und Netzwerk-Gateways einige der Aufgaben der Datenverarbeitung und -analyse übernehmen.

Misty und Cloud Computing werden häufig zusammen verwendet, da dies für eine optimale Leistung der IoT-Anwendungen erforderlich ist. Zur Implementierung von Vague Computing kann ein Gateway zwischen LANs und der Cloud erstellt werden. Hierbei wird ein mehrstufiger Ansatz angewendet, der die Funktionen der Überwachung (Kontrolle der verwendeten Kapazität und Ressourcen), der Vorverarbeitung (Filterung, Verarbeitung und Analyse von Daten), der Speicherung (Datenreplikation, -verteilung und -speicherung) und der Gewährleistung der Datensicherheit (Verschlüsselung und Gewährleistung der Datenintegrität und -vertraulichkeit) bietet ) Gegenwärtig ist diese Architektur von größtem Interesse und laut Forschern die vielversprechendste.

Gerätestrom

Eine wichtige Aufgabe des IoT ist die Stromversorgung von Geräten, die ständig in Bewegung sind und keine konstante Energiequelle haben. In vielen Fällen sind Batterien und Netzteile aufgrund ihrer Größe, ihres Gewichts und ihrer Wartungsanforderungen problematisch. Die Hoffnungen von Entwicklern und Forschern liegen in der Zukunft von Prozessoren mit geringem Stromverbrauch für eingebettete Systeme, die deutlich weniger Energie verbrauchen können. Es gibt wiederaufladbare Funksensoren, die ihre Messwerte über eine Entfernung von mehreren Metern übertragen können. Wie RFID-Systeme erhalten sie Energie entweder aus der Ferne oder aus dem Messprozess selbst, beispielsweise mithilfe von piezoelektrischen oder pyroelektrischen Materialien. Um die Energiekosten zu senken, ist es außerdem erforderlich, einen Protokollstapel mit der geringsten Menge übertragener Daten zu bilden.

Daher die Aufgabe, einen Funkstandard zu entwickeln und auszuwählen. In Bezug auf die Energiekosten sind Standardtechnologien wie GSM, Wi-Fi und Bluetooth nicht geeignet - sie haben eine große Bandbreite und verbrauchen eine Menge Energie, die für IoT-Systeme nicht akzeptabel ist.

Um dieses Problem zu lösen, wurden Standards entwickelt, die die Anforderungen des Internets der Dinge erfüllen, zum Beispiel IEEE 802.15.4, IEEE 802.11 Low Power, Bluetooth Low Energy, 6LoWPAN, RFID, NFC, ZigBee, Sigfox, LoraWAN und andere Protokolle für drahtlose Netzwerke, die wenig verwenden Energie und kompatibel mit bestehenden Transport- und Netzwerkprotokollen.

Web Protocol Stack-Entwicklung

Die Entwicklung eines Web-Stacks für das Internet der Dinge erfordert den kompetenten Aufbau seiner Struktur, der sowohl den Anforderungen der Kommunikationsinfrastruktur (Kompatibilität mit bestehenden Standards) als auch den Anforderungen des Internets der Dinge gerecht wird. Beispiele für solche Standards sind: auf Präsentationsebene - CoAP; Transportschicht - UDP; Netzwerkschicht - IPv6 / 6LoWPAN.

Diese Standards interagieren mit der Kommunikationsinfrastruktur auf dieselbe Weise wie die Unlimited Stack-Protokolle, aber die übertragene Datenmenge ist viel geringer. Diese Tatsache trägt dazu bei, den Stromverbrauch von IoT-Geräten zu reduzieren und deren Betriebszeit zu verlängern.

Geräteadressierungsschema

Adressierungsschemata sind ein kritischer Aspekt in Bezug auf die Eindeutigkeit der Adressen, die IoT-Geräten zugewiesen werden, da sie andere Geräte eindeutig identifizieren und Informationen mit ihnen austauschen müssen. Die wichtigsten Merkmale beim Erstellen einer eindeutigen Adresse sind: Einzigartigkeit, Zuverlässigkeit, Stabilität und Skalierbarkeit.

Das vorhandene und allgegenwärtige IPv4-Protokoll ermöglicht nur die Identifizierung einer Gruppe von Geräten in einem bestimmten geografischen Gebiet, kann jedoch nicht jeden einzelnen IoT-Knoten zuweisen. IPv6 kann Probleme bei der Geräteidentifizierung lindern, aber die Heterogenität von Funkknoten, variablen Datentypen, gleichzeitigen Vorgängen und dem Zusammenführen von Daten von verschiedenen Geräten verschlimmern das Problem noch.

Skalierbarkeit von IoT-Systemen

Das nächste Problem bei IoT ist die Skalierbarkeit. Nach Schätzungen von Cisco werden im Jahr 2020 50 Milliarden Geräte mit der Cloud verbunden sein, nach Schätzungen von Gartner 26 Milliarden. IoT hat ein größeres Gesamtvolumen als das normale Internet. Daher ist die Skalierbarkeit des IoT-Bereichs komplexer als bei herkömmlichen Webanwendungen. Die meisten von IoT-Geräten empfangenen Daten können oder sollten jedoch lokal verarbeitet und sofort verworfen werden.

Garantierte Servicequalität (QoS)

Webbenutzer erlauben eine variable Latenz für herkömmliche Webdienste, aber die vorübergehende Unzugänglichkeit von Sensoren oder IoT-Aktoren wirkt sich direkt auf die physische Welt aus. Es ist ein kontrollierter, optimaler Ansatz erforderlich, um verschiedenen Netzwerkverkehr zu bedienen, von denen jeder seine eigenen Bedürfnisse hat.

Ein weiterer Aspekt des IoT ist der fortgesetzte Betrieb des Netzwerks zur allgegenwärtigen und unerbittlichen Datenübertragung. Obwohl der TCP / IP-Stack dies durch ein zuverlässigeres und effizienteres Routing von der Quelle zum Ziel gewährleistet, ist das IoT mit einem Engpass in der Schnittstelle zwischen dem Gateway und den drahtlosen Touch-Geräten konfrontiert. Das Hinzufügen von Netzwerken und Geräten sollte die Netzwerkleistung, die Geräteleistung, die zuverlässige Datenübertragung über das Netzwerk oder die effiziente Verwendung von Geräten über die Benutzeroberfläche nicht beeinträchtigen.

Sicherheit und Datenschutz personenbezogener Daten

Neben Sicherheitsaspekten wie der Authentizität und Zuverlässigkeit des Kommunikationskanals sowie der Nachrichtenintegrität sind weitere Anforderungen im IoT von Bedeutung. Es wird notwendig sein, dem Gerät einen selektiven Zugriff auf das Leistungsspektrum zu gewähren oder zu einer bestimmten Zeit, um die Kommunikation mit anderen Geräten zu verhindern. Middleware sollte über integrierte Mechanismen zur Lösung dieses Problems sowie über Benutzerauthentifizierung und Implementierung der Zugriffssteuerung verfügen. Viele Informationssicherheitsaufgaben können mit kryptografischen Methoden gelöst werden und erfordern mehr Forschung, bevor sie in großem Umfang eingesetzt werden können.

Internationale Tätigkeit

Die internationalen Aktivitäten im Bereich des Internets der Dinge gewinnen an Dynamik und viele Initiativen werden in der Industrie, in der Wissenschaft und auf verschiedenen Regierungsebenen umgesetzt. In Europa werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Aktivitäten von Forschungsgruppen und -organisationen, die sich mit M2M, WSN und RFID befassen, in ein einziges IoT-System zu integrieren und ein Referenzmodell für die Interaktion des Internets der Dinge und der Schlüsselbausteine ​​zu bestimmen, um dies zu erreichen. In Japan, Korea, den USA und Australien werden umfangreiche Initiativen umgesetzt, bei denen Industrie und Regierungsabteilungen an verschiedenen IoT-Programmen zusammenarbeiten. Intensive Arbeiten auf dem Gebiet des Internet der Dinge werden auch in China im Rahmen des 12. Fünfjahresplans durchgeführt, in dem festgelegt ist, dass Ressourcen und Investitionen auf die Entwicklung des Internet der Dinge in verschiedenen Bereichen ausgerichtet sein sollten.

Dies impliziert die Notwendigkeit, eine einheitliche Union für alle Länder zur Lösung der IoT-Probleme zu schaffen, um das Entwicklungstempo der Sphäre zu erhöhen und den Weg für die koordinierte Umsetzung dieser technologischen Idee zu bestimmen.

Was ist das ergebnis

Mit dem anhaltenden Boom neuer IoT-Technologien wird sich das Konzept des Internet der Dinge bald unaufhaltsam in großem Umfang weiterentwickeln. Dieses neue Paradigma der Vernetzung wird sich auf jeden Teil unseres Lebens auswirken, vom automatisierten Heim bis zur intelligenten Überwachung von Gesundheit und Umwelt, indem „Intelligenz“ in Objekte um uns herum eingeführt wird.

Das Internet der Dinge ist ein integrierter Bereich, der die Entwicklung von Standards in verschiedenen Bereichen erfordert. Aufgrund der Komplexität und Struktur des Konzepts ergeben sich auf dem Weg zu seiner Entwicklung viele Aufgaben, die mit verschiedenen Bereichen zusammenhängen. Die Industrie kann von der Entwicklung des Internets der Dinge profitieren, das in engem Zusammenhang mit der Telekommunikations-, Hardware-, Software- und Dienstleistungsbranche steht.