5-2020

IoT/Industrie 4.0

IoT/Industrie 4.0 Produktinnovation durch IoT-Plattformintegration Digitale Plattformen haben das Potenzial, sowohl ganze Branchen als auch Produkte vollständig zu verändern. Trotz allem verhält sich die Anbieterseite in der Automatisierung nach wie vor sehr zurückhaltend, besonders wenn es um IoT-Plattformintegrationen geht. Den Anwendern bleibt im Moment nur das IoT-Retrofitting. möglicht und zum anderen die vollständige Kontrolle für den gesamten Gerätezugriff auf die IoT-Plattform gewährleistet. Kommunikationsvielfalt: Ein IoT-Hub muss mehrere Kommunikationsmuster unterstützen. In der Praxis wird nicht nur der Klassiker „Gerät-an-Plattformanwendung“ als Kommunikationsrichtung benötigt. Auch „Plattformanwendung-an-Gerät“ und „Gerät-an-Gerät“ wird in vielen Anwendungen benötigt. Dabei sind selbstverständlich die unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen zu beachten. Datenübertragungen von der Plattform zu einem Gerät (also IoT-Device-Schreibzugriffe), sind auf jeden Fall deutlich riskanter, als die Kommunikation in umgekehrter Richtung. Die Problematik Der Funktionsumfang führender Cloud- und IoT-Plattformen ent wickelt sich seit einigen Jahren in einem rasanten Tempo weiter. Geräte- und Maschinenhersteller, die weiterhin darauf verzichten, diese Funktionen für ihre Produkte zu nutzen, verlieren umgekehrt proportional zu diesem Trend an Wettbewerbsfähigkeit. Insofern ist jeder in der Automatisierung, der Baugruppen, Geräte oder Maschinen vermarktet, in dem ein Stück Software zum Einsatz kommt, gut beraten, sich intensiver mit den technischen Details und Anwendungsmöglichkeiten der IoT-Plattformen von Amazon, Microsoft, Siemens und Co. auseinanderzusetzen und seine Produkte auf den aktuellen Stand der digitalen Technik zu bringen. Autor: Klaus-Dieter Walter ist CEO bei der SSV Software Systems GmbH SSV Software Systems GmbH www.ssv-embedded.de Bausteine einer IoT-Plattform IoT-Plattformen bestehen aus verschiedenen Schichten, die je nach Anbieter unterschiedlich ausgeprägt sind. Trotz zum Teil völlig verschiedener Namensgebung lassen sich in den meisten Plattformen funktional bedingt zumindest zwei Ebenen identifizieren: 1. Für die Anbindung der einzelnen Geräte, Sensoren und Aktoren (IoT-Devices) existiert in der Regel ein IoT-Hub bzw. Device Gateway als zentraler Nachrichtenhub, über den die gesamte Kommunikation zwischen Plattform und IoT-Devices abgewickelt wird und in dem auch die IT-Sicherheit des Übertragungskanals realisiert ist. 2. Alle anderen Bausteine einer Plattform sind in der Applikationslogik zusammengefasst. Dazu gehören zum einen die zahlreichen Standarddienste (Services) der jeweiligen Plattform (z. B. verschiedene Datenbanken, diverse Laufzeitumgebungen für Apps, Datenanalysedienste mit KI-Algorithmen, Benachrichtigungsfunktionen usw.) sowie zum anderen eine Rules Engine (Data Flow Engine) als Datenverarbeitungslogik der ein- und ausgehenden IoT-Device-Daten. Für die Services und die Rules Engine werden darüber hinaus Softwarebausteine (Anwendungen) ent wickelt, um die Einzelfunktionen der Standarddienste aufgabenbezogen miteinander zu verknüpfen. Durch den IoT-Hub hat die gesamte Anwendung eine sternförmige Topologie mit den einzelnen Geräten als Endpunkten. Ein solcher Hub bildet die Verteilerfunktion zwischen allen Geräten einer Anwendung und den Services der IoT-Plattform. Insofern lassen sich die wichtigsten Anforderungen in drei Themen gliedern: Sicherheit: Als zentraler Kommunikationsendpunkt für alle IoT-Devices einer Anwendung ist im IoT-Hub auch die IT-Security zur Absicherung aller Verbindungen zu finden. Dazu gehört die Device-Authentifizierung (jedes Gerät, dass über den IoT-Hub kommunizieren darf, muss zuvor sicher identifiziert werden), das Gewährleisten einer vertraulichen (verschlüsselten) Datenübertragung und das Sicherstellen der Datenintegrität. Darüber hinaus ist eine Security- Managementfunktion erforderlich, die zum einen die Verwaltung der gerätebasierten Authentifizierung er- Skalierbarkeit: Im Extremfall muss ein IoT-Hub auch mit Millionen gleichzeitig verbundener Geräte sicher und zuverlässig funktionieren, die Zigmillionen von Ereignissen je Sekunde erzeugen. Die Herausforderung ist dabei ein möglichst konstantes Zeitverhalten für den Datendurchsatz, unabhängig davon, wie viele aktive Geräte gerade mit einem Hub verbunden sind und welche Nachrichtenanzahl dadurch verursacht wird. AWS IoT als praktisches Beispiel AWS IoT (AWS IoT Core) wird als Cloud-basierte IoT-Plattform ange boten. Sie ermöglicht beliebigen Geräten über eine per TLS 1.2 gesicherte Internetverbindung die Kommunikation bzw. Interaktion mit AWS-Cloud anwendungen. Genaugenommen ist AWS IoT eine zusätzliche Funktionsebene, die den bereits seit 2006 verfügbaren Amazon Web Services nachträglich vorgeschaltet wurde, um die AWS an die besonderen Anforderungen des Internets der Dinge anzupassen. 12 PC & Industrie 5/2020

IoT/Industrie 4.0 Bild 1: IoT-Plattformen sind mehrschichtig aufgebaut. Über einen Hub werden die Geräte als IoT-Devices sternförmig angebunden. Mit Hilfe der Applikationslogik, die aus Standardservices und individuell erstellten Anwendungen besteht, werden aus den Device-Daten Informationen gewonnen. Zusätzlich gibt es eine Rules Engine, die nach dem Datenflussprinzip von ein- und ausgehenden Daten durchlaufen wird und programmierbare Aktionen auslösen kann. Aus Sicht der AWS-IoT-Architekten sammeln IoT-Anwendungen entweder Daten in der Cloud, um sie mit speziellen Anwendungen im Umfeld der AWS-Standardfunktionen zu bearbeiten. Des Weiteren sind auch Anwendungsszenarien denkbar, in denen eine AWS-Applikation direkt mit IoT-Devices kommuniziert, z. B. um sie per Alexa Voice Service (AVS) fernzusteuern. Insofern gehört ein sehr umfangreiches Sicherheitssystem mit einem vielfältigen Rechtemanagement zur Plattform. Als IoT-Hub kommt eine modulare Lösung zum Einsatz. Die Schnittstelle zu den Geräten bildet ein sogenanntes Device Gateway, mit dem alle IoT-Devices einer Anwendung per TLS verbunden sind. Wegen der Besonderheiten des TLS-Protokolls besteht für MQTT und Web- Sockets die Möglichkeit, relativ langlebige Verbindungen herzustellen, um nicht immer wieder einen erneuten (zeit- und datenintensiven) TLS- Handshake zu verursachen. Zur Entgegennahme und zum Versenden von Nachrichten per MQTT steht eine Publish/Subscribe-Brokerfunktion (Message Broker) zur Verfügung. Sie unterstützt mittels einer speziellen Serverfunktion auch die Nachrichtenübermittlung per HTTP- POST-Request (ein solcher HTTP- Request wird funktional als MQTT- Publish behandelt). Leistungsfähigkeit In Bezug auf die Leistungsfähigkeit von Device Gateway und Message Broker weist Amazon darauf hin, dass diese Funktionseinheiten als verwaltete Services vollständig automatisch skalieren und auch für sehr große Projekte mit mehr als einer Milliarde IoT-Devices geeignet sind. Amazon hebt in diesem Zusammenhang hervor, dass der Message Broker auch mit Millionen gleichzeitig bestehender MQTT- Verbindungen umgehen und z. B. eine eingehende Publish-Nachricht an Millionen Subscriber verteilen kann. Device Shadow Eine Besonderheit des AWS-IoT- Hubs ist der Device Shadow. Dieser Funktionsbaustein dient als virtuelles Datenabbild (virtuelle Repräsentanz) für jedes mit dem Device Gateway verbundene Gerät, in dem der jeweils letzte Gerätestatus bis zu einem Jahr lang gespeichert wird. Diese virtuelle Repräsentanz wird durch ein JSON-basiertes Dokument gebildet (max. 8 KBytes pro Gerät). Auf die JSON-Daten können z. B. andere AWS-Anwendungen oder externe Mobilgeräte mit einem speziellen REST-API zugreifen. Der Device Shadow wird von Zeit zu Zeit mit dem jeweiligen Gerät synchronisiert. Dabei werden neue (Zustands-) Daten vom Gerät in das JSON-Dokument geschrieben (Reported State), aber auch Variable ausgelesen und an das Gerät übertragen (Desired State), was zu einem geänderten Gerätezustand führen kann. Die AWS-IoT-Applikationslogik besteht im Wesentlichen aus einer speziellen Rules Engine und den AWS-Servicename DynamoDB EC2 Kinesis Lambda S3 SageMaker SNS SQS Beschreibung NoSQL-basierter Datenbankdienst, der sowohl Schlüsselwert- (Key-Value) als auch Dokumentdatenstrukturen unterstützt. EC2 dient als Abkürzung für Elastic Compute Cloud. Dieser Name steht in der Amazon-Cloud für skalierbare Rechnerkapazität, um eigene Anwendungen auf virtuellen Computern in der Cloud auszuführen. Skalierbarer Datenstreaming-Dienst für Echtzeitanalysen. Mit Hilfe solcher Datenanalysen lassen sich z. B. Anomalien in IoT-Datenströmen erkennen. Ereignisgesteuerter Dienst, der speziellen Code als Reaktion auf bestimmte Ereignisse ausführt. AWS Lambda zählt zur Kategorie des sogenannten Serverless Computing, da sich der Anwender nur um den Code für die Lambda-Funktion und die Ereignisverknüpfung dieser Funktion, nicht aber um die Serverressourcen kümmern muss. S3 steht für Simple Storage Service. Hinter dem Namen verbirgt sich eine sehr mächtige Datenspeicherinfrastruktur für AWS-Cloudanwendungen. S3 erlaubt die Speicherung und den Abruf von Datenobjekten nahezu beliebiger Größe. S3 lässt sich z. B. mit AWS Lambda kombinieren, um bei der Änderung eines Speicherobjekts eine Lambda-Funktion aufzurufen. Dieser Dienst ermöglicht das Erstellen und Nutzen von Machine-Learning-Modellen, um z. B. von IoT-Geräten eintreffende Daten zu analysieren und mittels Regression oder Klassifizierung automatisierte Entscheidungen zu treffen (Beispiel: Automatische Gesichtserkennung per Deep Learning, um einer bestimmten Person den Zutritt zu einem Gebäudeteil zu gestatten). Einfacher Benachrichtigungsdienst (SNS = Simple Notification Service) für AWS-Cloudanwendungen. SNS ermöglicht das Senden und Empfangen von SMS und E-Mail. Unterstützt den Nachrichtenversand an HTTP(S)-Endpunkte sowie spezielle Push-Nachrichten an iOS- und Android-Mobilgeräte. Per SNS kann z. B. auch die Ausführung einer Lambda- Funktion ausgelöst werden. SQS ist die Abkürzung für Simple Queue Service. Dieser Dienst ermöglicht den Aufbau von Nachrichtenwarteschlangen (z. B. FIFO-Warteschlangen), um verteilte Cloudanwendungen miteinander kommunizieren zu lassen. Tabelle 1: Kurzübersicht der wichtigsten Amazon Web Services (AWS), die von einer IoT-Anwendung genutzt werden können. Bei jedem einzelnen Dienst handelt es sich um eine relativ komplexe Anwendung, deren Praxiseinsatz allerdings zum Teil umfangreiche Spezialkenntnisse erfordert. PC & Industrie 5/2020 13