Wie geht man mit vernetzten IoT-Geräten um?

Das Internet der Dinge bietet eine so große Bandbreite an Einsatzbereiche für die jeweiligen Geräte. Aus diesem Grund müssen die Netzwerkarchitekten bei ihrer Planung auf viele Variablen für Kommunikation, Leistung, Bandbreite, Zuverlässigkeit und Kosten achten.

Vernetzte IoT-Geräte stellen für IT-Manager eine Herausforderung dar, da sich die Kommunikationsanforderungen stark von denen für typische PCs, Tablets und Smartphones unterscheiden. Darüber hinaus gibt es eine unglaubliche Vielfalt an IoT-Geräten und deren Verwendung:

• Ein Polizeiauto ist heute eine Art IT-intensives mobiles Büro. Es verfügt über mehrere IT-Systeme (PCs, lokale Ortung, Kameras, Sensoren), die eine bidirektionale Hochgeschwindigkeitskommunikation und sichere und zuverlässige Verbindungen benötigen.
• An modernen Fertigungsstandorten werden mit einer Vielzahl von Sensoren und Videokameras die Fertigungsprozesse überwacht und so der Betrieb sichergestellt. Diese Sensoren sind oft schwer zu erreichen und erfordern eine zuverlässige und sichere Kommunikation.
• Die Überwachungskameras in der Öffentlichkeit sind trotz, vieler Sicherheitsbedenken, immer häufiger zu finden. Diese Kameras benötigen eine schnelle und zuverlässige Kommunikation, um die Videosignale an eine Zentrale weiterzuleiten.
• Viele Krankenhäuser bauen inzwischen ihren Betrieb auf miteinander vernetzten medizinischen Geräte auf. Diese Geräte melden automatisch ihre Standorte und sind daher sehr schnell aufzufinden. Dieser Anwendungsfall erfordert zuverlässige Verbindungen mit niedriger Geschwindigkeit für eine Vielzahl von Geräten.

Variierende Anschlussanforderung der IoT-Komponenten

Zusätzlich zu den genannten IoT-Anwendungsfällen gibt es Tausende verschiedener Arten von IoT-Geräten und IoT-Sensoren. Jede dieser individuellen Komponenten stellen ihrerseits gewisse Anforderungen an die Anzahl der zu nutzenden Verbindungen, der Kosten pro Verbindung, der Verfügbarkeit, der Stromversorgung und der Menge der zu übertragenden Daten.

Je nach Anwendung stellen die  IoT-Geräte für die Kopplung an die Netzwerke weitere Anforderungen. Hier seien die Skalierbarkeit, die Zuverlässigkeit und die Sicherheit genannt. Die größte Herausforderung besteht darin, kostengünstige Verbindungen zu entfernt installierten Geräten herzustellen, von denen einige mit Batterien betrieben werden und über keine Wechselstromversorgung verfügen.

IoT-Netzwerkanforderungen

Abhängig von den spezifischen Geräten und Anwendungen können folgende Anforderungen an ein IoT-Netzwerk gestellt werden:

• Vernetzung einer großen Anzahl von heterogenen IoT-Elementen.
• Hohe Zuverlässigkeit.
• Übermittlung der Daten in Echtzeit.
• Geringer Latenz.
• Sicherung aller Verkehrsströme.
• Individuelle Anpassung der Anwendungen.
• Verkehrsüberwachung und -management auf Geräteebene.
• Kostengünstige Konnektivität für eine große Anzahl von Geräten.

Auswirkungen von SDN und NFV auf das IoT-Netzwerkdesign

Die softwarebasierten Netzwerktechnologien (SDN, NFV und SD-WAN) geben den Netzarchitekten neue Werkzeuge zum Entwurf flexibler Netzwerke an die Hand. Die NFV- und SDN-Technologie sind ideal zur Anpassung des Netzwerks an die IoT-Anforderungen geeignet. NFV bietet viele virtuelle Netzwerkfunktionen (VNFs): Routing, Sicherheit, Gateways und Verkehrsmanagement. Diese lassen sich beliebig miteinander kombinieren, um die von IoT geforderten individuellen Netzwerkdienste bereitzustellen. SDN bietet zentralisierte Funktionen zur Orchestrierung und Verwaltung der Datenflüsse in stark verteilten IoT-Netzwerken.

Big-Data Herausforderung

Vernetzte IoT-Geräten können eine enorme Datenmenge erzeugen, von denen einige in Echtzeit analysiert werden müssen. Aufgrund von Latenz- und Bandbreitenbeschränkungen kann nicht jede Datenanalyse an einem zentralen Ort realisiert werden. IoT-Netzwerke benötigen deshalb Möglichkeiten zur verteilten Datenanalyse. Die hierfür genutzte  Business-Intelligence wird daher oft am Rand des Netzwerks umgesetzt.

Design-Überlegungen für IoT-Netzwerke

Bei der Planung von IoT-Netzwerken müssen eine Reihe von Faktoren berücksichtigt werden. Der erste Fragenkomplex lautet: Welche Art von Gerät oder Sensor werden angeschlossen? Wie viele Geräte müssen vernetzt werden? Wie viel Verkehr wird erwartet? Die Antworten auf diese Fragen legen die Anschlussoptionen fest und geben Hinweise auf die notwendigen Budgets für die Beschaffung und für den Betrieb (CAPEX und OPEX). Weitere wichtige Fragen sind:

• Arbeitet das Gerät/Sensor mobil oder an einem festen Standort?
• Welches Sicherheitsniveau ist für das Gerät erforderlich?
• Müssen die IoT-Daten in Echtzeit analysiert werden?
• Muss das Netzwerk und das IT-System die Aktivität am Gerät steuern oder arbeitet das Gerät hauptsächlich passiv?
• Kann das Gerät oder der Sensor an das Wechselstromnetz angeschlossen werden?

IoT-Anschlusstechnologien

Inzwischen bietet die Industrie eine breite Palette an Optionen zur Verbindung von IoT-Geräten und Sensoren. Jede dieser Option beschreibt die spezifischen Vorteile und Nachteile und ist letztendlich abhängig von der jeweiligen Anwendung. Folgende vier Netzwerktechnologien werden inzwischen oft genutzt:

• Bluetooth bietet eine drahtlose Kommunikation für viele Geräte und ist bereits in vielen Geräten verbaut. Nachteile sind jedoch eine begrenzte Reichweite und Zuverlässigkeitsprobleme.
• WLAN ist inzwischen die universelle Schnittstelle für PCs, Telefone und Tablets. Diese Technik ist jedoch sehr stromhungrig.
• LTE ist ein Marktstandard und weit verbreitet, kann aber bei einer hohen Datennutzung und durch den Energiehunger teuer werden.
• Ethernet ermöglicht LAN-Verbindungen mit extrem hohen Geschwindigkeite. Diese Technologie benötigt jedoch ein physisches Kabel für die Verbindung mit den IoT-Geräten.

Darüber hinaus hat die Kommunikationsbranche eine Reihe neuer Netzwerktechnologien erfunden, die speziell für die Verbindung von IoT-Geräten genutzt werden:

• Mobiles IoT in der Ausprägung mehrerer Standards (LTE-M, NB LTE-M und NB-IOT).
• Low-Power-Wide-Area-Netzwerke wie beispielsweise Sigfox und LoRa, die speziell für die Anforderungen von IoT-Geräten mit geringer Leistungsaufnahme entwickelt wurden.
• ZigBee ist ein drahtloser Standard für die kostengünstige Verbindung von Maschine-zu-Maschine-Netzwerken.

Ein wichtiger Aspekt für viele Unternehmen sind die Auswirkungen neuer IoT-Netzwerke auf bestehende Campus-, Zweigstellennetzwerke und Wide-Area-Netzwerke. IoT-Geräte können neue Verkehrsmuster und große Datenflüsse erzeugen und besondere Latenzanforderungen an das Einsatzgebiet stellen.

Branch-Networks

Die Filialnetze verfügen normalerweise über eine moderate Anzahl von Endgeräten, die über Ethernet und WLAN miteinander verbunden sind. Die meisten Zweigstellen verfügen nicht über genügend geschultes IT-Personal und müssen aus der Zentrale heraus verwaltet werden. Inzwischen werden die Filialnetze auf die SD-WAN- und SD-Branch-Technologien migriert und dadurch den wachsenden Bedarf an WAN-Bandbreite und der Vereinfachung der Netzwerkinstallationen und der Administration Rechnung getragen. Eine Anbindung von IoT-Geräten an das vorhandene Netzwerk in der Zweigstelle kann zur Folge haben, dass neue zu verwaltende Netzwerktechnologien, Probleme bei der Geräteverwaltung, andere Anforderungen an die Fehlersuche und eventuell auch größere WAN-Bandbreiten notwendig werden. Auch erfordern bestimmte IoT-Anwendungen die Bereitstellung von nicht unerheblichen Rechen- und Speicherkapazitäten im lokalen Netz.

Campus-Netzwerk

Im Campus-Netzwerk kommuniziert eine große Anzahl von Geräten (PCs, Tablets, Smartphones, Drucker usw.) über WLANs und Ethernet. Die Kommunikation der Endgeräte zum Rechenzentrum erfolgt über einen Ethernet-Backbone mit hoher Übertragungskapazität. Das Campus-Netzwerk wird in der Regel mit Hilfe von geschultem IT-Personal gewartet und die Netzwerkprobleme werden meist direkt behoben. Im Campus-Netzwerk kann durch neue IoT-Installationen die Anzahl der angeschlossenen Geräte drastisch ansteigen. Dies birgt neue Herausforderungen für das Gerätemanagement, die Authentifizierung der Nutzer und Endgeräte sowie die aktuell über die WLANs zu transportierenden Datenlasten.

Fazit

Die Verbindung von IoT-Geräten und -Sensoren sorgt für effizientere Abläufe in den Unternehmen. Die lokalen Netze und die WANs sind jedoch die kritischen Elemente bei der Implementierung sicherer, zuverlässiger und schneller IoT-Systeme. Die neuartigen Anforderungen der jeweiligen IoT-Systemen erfordern neue Formen der Vernetzung und verändern dadurch die bestehenden Netzwerke. Viele IT-Abteilungen haben noch immer Schwierigkeiten mit der korrekten Integration der IoT-Plattformen in die bestehenden IT-Strukturen. Um die Anforderungen an eine hohe Zuverlässigkeit, geringe Latenz, Sicherheit und zentralisierter Kontrolle erfüllen zu können, müssen die vorhandenen Netzwerke auf- bzw. umgerüstet und an die Anforderungen des 21. Jahrhunderts angepasst werden.

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