Expertenbeitrag

 Thomas Joos

Thomas Joos

Freiberuflicher Autor und Journalist

IoT-Vernetzung Die wichtigsten IoT-Protokolle und -Standards im Überblick

Von Thomas Joos

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Je komplexer IoT-Infrastrukturen werden, desto wichtiger ist es, dass Protokolle und Standards harmonieren. Wir zeigen in diesem Beitrag die wichtigsten IoT-Protokolle und geben Tipps für den richtigen Einsatz.

Energieeffiziente und sichere IoT-Infrastrukturen mit mehreren Schichten benötigen das geeignete Protokoll für einen effektiven Betrieb.
Energieeffiziente und sichere IoT-Infrastrukturen mit mehreren Schichten benötigen das geeignete Protokoll für einen effektiven Betrieb.
(Bild: gemeinfrei / Unsplash)

IoT-Projekte sind in den meisten Unternehmen nicht mehr wegzudenken. Bis 2029 sind laut Gartner bis zu 15 Milliarden IoT-Geräte mit Unternehmensinfrastrukturen verbunden und erledigen damit vielfältige Aufgaben.

Das richtige IoT-Protokoll und die verwendeten Standards sind eine wichtige Grundlage für IoT-Infrastrukturen und die eingesetzten Geräte. Schlussendlich eignen sich nicht alle Protokolle und auch nicht alle Standards für jede Infrastruktur. Dabei spielen nicht nur Effizienz und Geschwindigkeit eine wichtige Rolle, sondern auch die Energieeffizient und natürlich die Sicherheit.

Energieverbrauch und Sicherheit in IoT-Geräten immer wichtiger

Da IoT-Geräte nahezu ununterbrochen mit dem Internet verbunden und in IoT-Infrastrukturen oft auch sehr viele Geräte im Einsatz sind, erweisen sich der Energieverbrauch und natürlich auch die Sicherheit als besonders wichtig. Das sind wiederum wichtige Auswahlkriterien für das richtige Protokoll, das auf den Geräten und in der Infrastruktur zum Einsatz kommt.

Die IoT-Protokolle steuern die Kommunikation zwischen den IoT-Geräten, Servern und Diensten, die die einzelnen Geräte miteinander verbinden und deren Daten analysieren oder für andere Zwecke nutzen. Die Kommunikation spielt zwischen den IoT-Geräten eine genauso wichtige Rolle, wie zwischen Endgeräten und Gateways. Dadurch entstehen oft vielschichtige Infrastrukturen, die vom eingesetzten IoT-Protokoll abhängen.

Stacks und Schichten in IoT-Infrastrukturen verstehen

Häufig kommt in IoT-Infrastrukturen das OSI-Schichtenmodell zum Einsatz. Es gibt aber immer mehr Umgebungen die nur auf die drei Schichten Perception, Network und Application setzen. Gibt es eine vierte Schicht, ist oft noch eine Support-Ebene enthalten. Verwendet man ein Fünf-Schichten-Modell, enthält es grundsätzlich verschiedene Schichten. Von der Auswahl der Schichten hängt auch das richtige IoT-Protokoll ab, da dieses die Schichten optimal unterstützen muss.

Vielzahl von Protokollen für verschiedene Schichten in IoT-Infrastrukturen

Bluetooth und WLAN kommen in Infrastrukturen des Internet of Things häufig zum Einsatz, vor allem in den unteren Layern. Mit Bluetooth lassen sich energiesparende Netzwerke mit drahtlosen IoT-Geräten aufbauen, die sehr wenig Energie verbrauchen. Mit der Variante Bluetooth Low Energy, kurz BLE, gibt es eine für das IoT optimierte Möglichkeit, mit der die Geräte noch energiesparender Informationen austauschen können.

WLAN nutzen viele Betreiber von IoT-Infrastrukturen in lokalen Netzwerken. Damit ist es möglich, Daten schnell und zuverlässig zu übertragen. Die Reichweite ist aber begrenzt, sodass WLAN im Grunde genommen nur in kurzen und mittleren Umgebungen zum Einsatz kommt.

Geht es um die Application-Schicht, gibt es verschiedene potenziell geeignete Protokolle; zum Beispiel Data Distribution Service (DDS) oder auch Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). Es ist durchaus sinnvoll, mehrere Protokolle einzusetzen, um für die jeweilige Schicht das richtige Protokoll nutzen zu können.

IoT mit Mobilfunk

Sollen Geräte unabhängig von lokalen Netzwerken zum Einsatz kommen, setzen viele Betreiber auf Mobilfunktechnologien. Mit 4G und 5G ist es in diesen Bereichen möglich, auch sehr große Datenmengen in kurzer Zeit zu versenden. Das Betreiben von großen Netzwerken ist damit ebenfalls möglich. Mobilfunkbasierte IoT-Infrastrukturen zeichnen sich durch eine zuverlässige und schnelle Kommunikation aus. Gleichzeitig sind die Kosten natürlich deutlich höher. Auch der Energieverbrauch ist höher als beim Einsatz von Bluetooth oder BLE.

Advanced Message Queuing Protocol – AMQP

Das Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) von JP Morgan bietet sich an, wenn verschiedene Standards im Nachrichtenformat vorhanden sind. Da so ein sicherer und schneller Austausch von sehr vielen Nachrichten möglich ist, nutzen vor allem IoT-Infrastrukturen im Finanzbereich das Protokoll AMQP.

Viele IoT-Dienste von Cloud-Plattformen unterstützen AMQP. Das Protokoll ist auch geeignet, wenn die verschiedenen Geräte nicht mit schnellen Netzwerken verbinden sind und die Sicherheit auch in großen Umgebungen jederzeit gewährleistet sein muss. AMQP ist außerdem auch dann eine Option, wenn nicht alle Geräte jederzeit verfügbar sind, zum Beispiel bei unzuverlässigen Netzwerkumgebungen. Microsoft bietet in Azure zum Beispiel die Unterstützung von AMQP, aber auch von MQTT.

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Constrained Application Protocol – CoAP

CoAP nutzt generell UDP, also das User Datagram Protocol, und kann dadurch eine schnelle und sichere Kommunikation aufbauen. Vor allem bei geringen Bandbreiten und unzuverlässigen Verbindungen kann CoAP das richtige Protokoll sein, wenn IoT-Geräte untereinander kommunizieren sollen. Der Energiebedarf ist niedriger als beim Einsatz von Mobilfunk-Technologien, daher bietet es sich für die Machine-to-Machine-Kommunikation an. CoAP ist so vor allem für sehr große und verteilte IoT-Infrastrukturen geeignet, wenn die Geräte mit schmaler Bandbreite unzuverlässig miteinander kommunizieren sollen und nur kleine Nachrichten zwischen den Geräten verschickt werden. Gleichzeitig lassen sich die Daten auch verschlüsseln und über HTTP-Proxys versenden.

Data Distribution Service für die Echtzeitkommunikation

In vielen Netzwerken ist es jedoch notwendig, dass Daten in Echtzeit verschickt werden. Dazu muss das eingesetzte Protokoll natürlich in der Lage sein. Data Distribution Service ist spezialisiert darauf und kann sicherstellen, dass IoT-Geräte in einer IoT-Infrastruktur in Echtzeit und mit sehr niedriger Latenz miteinander kommunizieren. Man verwendet das Protokoll daher vor allem in schnellen und zuverlässigen Netzwerken, die stabil miteinander verbunden sind und eine relativ hohe Bandbreite bieten.

LoRa und LoRaWAN kommunizieren schnell, weit und engergiesparend

Die beiden Protokolle Long Range (LoRA) und Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) sind sinnvoll, wenn eine Kommunikation über große Strecken erfolgen soll, ohne dabei auf Mobilfunktechnologien zu setzen. Dabei spielt auch maximale Sicherheit eine wichtige Rolle.

LoRa und LoRaWAN kommen vor allem im Bereich der Machine-to-Machine-Kommunikation zum Einsatz. Bei LoRaWAN handelt es sich um ein cloudbasiertes Protokoll, das auch in Cloud-Plattformen wie AWS zu finden ist. Beide Protokolle verbrauchen relativ wenig Energie. Geräte, die mittels LoRa beziehungsweise LoRaWAN kommunizieren, sind wartungsarm, da die Batterien sehr lange halten und mit hoher Leistung Daten austauschen können. Die Kommunikation läuft normalerweise vom LoRaWAN-Knoten zum Gateway und danach zum LoRaWAN-Server. Das Gateway stellt die Schnittstelle zwischen dem Gerät und dem leistungsstarken Server zur Verfügung, der die Daten verarbeitet. Die Nodes senden im LoRaWAN Daten mit LoRa zum Gateway und zum verarbeitenden Server.

Lightweight M2M für die Remoteverwaltung von IoT-Geräten

Lightweight M2M (LWM2M) dient der Kommunikation zwischen Geräten in einer IoT-Infrastruktur. Das Protokoll eignet sich vor allem für Telemetrie und zur Verwaltung von Geräten im Internet of Things, wenn die Endgeräte keine hohe Leistung haben und wenig Energie verbrauchen sollen. Daher handelt es sich bei LWM2M mittlerweile um eines der wichtigsten Protokolle, wenn es darum geht IoT-Geräte aus der Ferne zu verwalten.

Das Protokoll ist im Niedrigenergiebereich sinnvoll, zum Beispiel wenn die IoT-Geräte keine dauerhafte, externe Stromversorgung zur Verfügung haben. Anwendungen dafür sind die Nachverfolgung von Waren, beispielsweise in Frachtcontainer, und der Einsatz in robusten Umgebungen wie der Landwirtschaft.

Message Queuing Telemetry Transport – MQTT

Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) bietet Kommunikation zwischen Maschinen, wenn die Bandbreite nicht sehr hoch ist. Auch hier ist der ideale Einsatz in Netzwerken mit unzuverlässigen Netzwerkverbindungen. Das Protokoll ergibt dann Sinn, wenn Telemetriedaten zwischen Geräten mit Nachrichten übermittelt werden sollen. Dabei spielen hohe Latenzen und Verzögerungen keine Rolle. MQTT kann zum Beispiel auch bei Sensoren genutzt werden, die als Publisher Informationen zur Verfügung stellen und Subscriber diese Daten nutzen.

Extensible Messaging and Presence Protocol – XMPP

Die Kommunikation von Geräten auf Basis von XMPP ist auch in Echtzeit möglich. Für die Kommunikation nutzt das Protokoll XML. Früher war XMPP als Jabber bekannt und wurde vor allem für die Kommunikation zwischen Benutzern eingesetzt. Unter anderem griffen Google und Facebook zu Beginn auf Jabber beziehungsweise XMPP zurück. Mittlerweile kommt XMPP vor allem für die Kommunikation zwischen Maschinen zum Einsatz. Da die Basis hierfür XML ist, eignet sich das Protokoll nur für relativ leistungsfähige IoT-Geräte, die mit dem entsprechenden Overhead umgehen können.

Zigbee für die Heimautomatisierung

Zigbee hat seinen Schwerpunkt in der Kommunikation zwischen Geräten in einem Gebäude oder einer Industrieanlage. Bei diesem Protokoll handelt es sich um ein Mesh-Protokoll, das vor allem dann geeignet ist, wenn in einem Gebäude Geräte über kurze Reichweite miteinander kommunizieren sollen. Gleichzeitig ist auch der Energieverbrauch sehr niedrig, wodurch sich der Einsatz bei der Gebäudeautomatisierung erklärt. Hier ist die notwendige Reichweite gering, aber die Geräte sollen dennoch wenig Energie verbrauchen.

Vielfalt erfordert Planung

Die Vielzahl verfügbarer Protokolle macht schnell klar, dass die Planung des richtigen Protokolls in einer IoT-Infrastruktur sehr wichtig ist.

Eine Rolle spielen vor allem die notwendige Reichweite, der Energieverbrauch und auch die Stabilität und Bandbreite der Verbindungen zwischen den Geräten. Es ist durchaus sinnvoll, mehrere Protokolle einzusetzen, wenn Bandbreite und Verbindungsqualität im IoT-Netzwerk nicht homogen sind und die Qualität der Verbindungen nicht immer gegeben ist. Dazu kommt, dass Protokolle wie XMPP einen gewissen Overhead erzeugen, mit denen die Endgeräte auch zurechtkommen müssen.

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