IoT-Gateways: Brücken ins Internet der Dinge

IoT-Gateways sorgen als zentraler Bestandteil für die Interoperabilität zwischen Sensoren, Geräten, Netzwerken und Knotenpunkten und schlagen in gewisser Weise erst die notwendige Brücke zwischen den Geräten und dem Internet der Dinge. Die Anfrage nach entsprechenden Devices steigt daher im Rekordtempo – der Markt antwortet mit einer stetig größer werdenden Produktpalette.

Doch längst nicht jedes Gerät eignet sich für jedes Szenario. Ein Blick auf die wesentlichen Funktionen von IoT-Gateways hilft, geeignete Auswahlkriterien für verschiedene Anwendungsszenarien abzuleiten und schlussendlich die richtige Wahl zu treffen.

Vor dem Hintergrund eines rasant wachsenden Internets-der-Dinge und der Notwendigkeit, unendlich viele Geräte miteinander vernetzen zu müssen, zählen IoT-Gateways möglicherweise zu den kritischsten Komponenten der Zukunft. Denn erst durch ihre zentralen Funktionen Sensordaten zu aggregieren, zwischen verschiedenen Protokollen zu vermitteln und Daten vor dem Versand an eine Plattform oder Cloud zu filtern und zu verarbeiten, ist eine Verwaltung und Steuerung dieser komplexen Systeme überhaupt erst möglich. Eine Rolle spielt zudem auch ihr Einfluss auf Faktoren wie IT-Sicherheit und die Gesamtkosten eines Settings.

IoT-Gateway als „Aggregator“

Eine der wesentlichen Funktionen eines Gateways stellt die Möglichkeit dar, mehrere Sensoren oder Geräte über Fest- und/oder Mobilfunkstrecken im Feld zusammenschalten zu können. Das Gateway verwaltet und transportiert die gesammelten Daten an eine IoT-Plattform. Neben zusätzlichen, wirtschaftlichen Effekten, da bspw. nur eine SIM-Karte und ein kostenintensives Hardware-Modul für die Mobilfunkstrecke eingesetzt werden müssen, sorgt diese Bündelung auch für eine erhöhte Sicherheit. Denn über den IP-Adressraum erreichbar – und demzufolge Angriffen ausgesetzt – ist in diesem Fall nur das Gateway, nicht aber sämtliche Geräte oder Sensoren.

Gerade, wenn viele Sensoren mit einander verbunden werden sollen, ist für die Auswahl des richtigen Gateways die Kapazität der Verbindung ein wichtiger Hinweisgeber. Hier muss also Berücksichtigung finden, wie viele Geräte maximal mit einander verknüpft werden können und ob dies für das geplante IoT-Szenario ausreichend ist. Insbesondere im Zusammenhang mit Funkanbindungen spielt zudem auch die Konformität mit den lokalen Regularien und auch möglicherweise eine Zulassung des Verfahrens in der Zielregion eine wichtige Rolle.

IoT-Gateway als „Dolmetscher“

In der Industrie gibt es eine große Vielzahl an unterschiedlichen Protokollen und physikalischen Schnittstellen. Für ein IoT-Szenario, das aus verschiedenen Geräten besteht, kommen vor allem Protokolle und Schnittstellen für die lokale Installation (Edge) und Protokolle für die Datenfernübertragung über Fest- und Mobilfunknetze (Connectivity) zum Tragen. Dazu zählen Bus-Protokolle wie Feldbus, aber auch M-Bus oder Modbus. Die verwendeten Protokolle zu verstehen und die Daten in ein geeignetes Format umzuwandeln, ist also ein weiterer, wesentlicher Faktor, der bei der Auswahl eines geeigneten Gateways Berücksichtigung finden muss. Bei der Übertragung der Daten sind in diesem Zusammenhang auch die Übertragungsstandards der Fest- und Mobilfunknetze relevant, für die es gerade im internationalen Kontext sehr unterschiedliche Anforderungen zu beachten gilt. Daraus ergeben sich folgende Fragen: Unterstützt das Gerät die eingesetzten Bus-Protokolle in der Edge und wandelt es dieses in ein geeignetes Format um? Unterstützt das Gerät den Einsatz einer Software für die einfache Einrichtung und Abdeckung der relevanten Telekommunikationsstandards inkl. Konformitätsnachweis für die entsprechende Einsatzregion?

IoT-Gateway als „smarter Filter“

Das Filtern und Vorverarbeiten von Daten gewinnt immer mehr an Bedeutung. Und auch hier punkten Gateways. Denn sie können mit entsprechenden Software-Programmen die Daten analysieren und so bspw. nur dann Daten an die angeschlossene Plattform übertragen, wenn diese für das Szenario von Relevanz sind. So überträgt man sinnvollerweise nicht kontinuierlich eine gleichbleibende Temperatur sondern fokussiert auf signifikante Temperaturveränderungen einer Maschine, die dann bei Überschreiten eines Schwellwerts übertragen wird. So lassen sich große Datenmengen ohne Aussagekraft vermeiden. Häufig wird eine lokale Analyse auch zur direkten, lokalen Aktion genutzt – ohne eine bestehende Verbindung zur zentralen Plattform. So können Störungen zur direkten Alarmierung führen, ohne Zeit zur Datenübermittlung an die zentrale Plattform und auch dann, wenn die zentrale Plattform in dieser Situation nicht erreichbar ist.

Nicht alle Gateway-Geräte unterstützen die Funktion der Datenvorverarbeitung. Auch hierauf ist daher bei der Auswahl unbedingt zu achten. Wichtig ist dann auch, ob eine Verarbeitung von Software von Drittanbietern möglich ist und ob die Leistungsparameter des Gateways im Sinne von Hauptspeicher, Prozessor und Architektur den jeweiligen Anforderungen entsprechen.

Weitere Auswahlkriterien

Gerade auch im Kontext der zunehmenden Vernetzung ist die IT-Sicherheit ein weiterer Aspekt, der für die Wahl des richtigen Geräts von großer Bedeutung ist. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass die Verschlüsselung im System – möglichst Ende-zu-Ende – stattfinden sollte, d. h. verschlüsselt vom Sensor oder von der Maschine bis zur IoT-Plattform – ohne Entschlüsselung im Gateway. Ist diese aber etwa für eine Alarmierungsfunktion oder Datenvorverarbeitung unumgänglich, sollten besondere Vorrichtungen zum Schutz des Schlüssels, wie z. B. Secure Elements zum Einsatz kommen.

Wesentlich im Zusammenhang mit den Kosten ist stets die Frage, ob sich der Business-Case noch mit den Gateway-Kosten rechnet. Last but not least können praktische Anforderungen wie Montage, Schutzanforderungen (IP-Schutzklasse, Explosionsschutz) oder Stromversorgung Aspekte sein, die für eine Auswahlentscheidung relevant sind und ebenfalls in die Entscheidungsfindung einfließen können oder gar müssen.

Fazit

Ohne Gateways ist eine kurz- und mittelfristige Weiterentwicklung des Internets-der-Dinge undenkbar. Doch mit der Vielfalt der Szenarien wächst auch die Anzahl der angebotenen Geräte und damit die Herausforderung, das passende Gateway zu finden. Einen guten Startpunkt stellt die Betrachtung der möglichen Geräte ausgehend von den drei Kernfunktionen eines Gateways dar. Werden diese auf das relevante IoT-Szenario bezogen, ist man auf einem guten Weg, die richtige Wahl zu treffen.

Christian J. Pereira ist Geschäftsführer der Q-loud GmbH. Das Spin-off der börsennotierten QSC AG gilt als einer der führenden Full-Stack-IoT-Anbieter. Als studierter Maschinenbauer und Informationswissenschaftler (Dipl.-Ing., Dipl.-Inf.wiss.) verfügt Pereira über mehr als 25 Jahre Erfahrung in der Telekommunikationsindustrie und war an der Gründung erfolgreicher Unternehmen im Umfeld der Digitalisierung beteiligt.