Konnektivität in der Welt des IIoT

Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) und Konnektivität sind untrennbar miteinander verbunden, um das Ziel zu erreichen, Daten verschiedenster Geräte in Netzwerkstrukturen zur Verfügung zu stellen. Mit anderen Worten: Identifizierbare reale Objekte sollen mit einem virtuellen, datenbasierten Abbild verknüpft und für alle Teilnehmer des Netzwerks zugänglich sein. Übertragen wir dies auf den Bereich des Industrial Internet of Things (IIoT), der den Fokus auf das industrielle Umfeld legt, so sind es die Datenschnittstellen, die dabei den Übergang von Daten zwischen unabhängigen Teilsystemen wie Messgeräten, Servern und Software realisieren. Konnektivität ist daher heute ein integraler Bestandteil moderner Produktionsumgebungen und der Entwicklung komplexer Netzwerke, in denen nahezu autarke Datenquellen, -senken und -knotenpunkte miteinander interagieren.

Das Thema Datenschnittstellen ist keineswegs neu, aber die Anforderungen der IIoT-Welt erweitern das Themenfeld enorm. Einige Schnittstellenprotokolle und Standards wie TCP/IP werden bereits seit mehr als drei Jahrzehnte erfolgreich zur Verbesserung der Datenübertragung eingesetzt. Die rasant wachsende Anzahl an Teilsystemen und die zunehmende Größe von Netzwerken zur Datenübertragung erfordern heute jedoch nicht nur eine performante und schnelle Datenübertragung, sondern auch Sicherheit und Anpassungsfähigkeit. Zahlreiche neue Standards bieten daher heute Lösungen für ganz konkrete Anwendungen oder Herausforderungen wie häufige Netzwerkunterbrechungen, Optimierung auf Echtzeitfähigkeit oder auf Datensicherheit. In den heutigen Produktionsumgebungen treffen also verschiedene etablierte Schnittstellenstandards aufeinander, die in einem möglichst sicheren und performanten Netzwerk miteinander kommunizieren sollen. 

Datenschnittstellen bilden die Übergangsstellen von Daten zwischen unterschiedlichen Teilsystemen. Schnittstellenstandard normieren die Art und Weise, wie Daten strukturiert und übertragen werden, so dass Hersteller unterschiedlicher Teilsysteme kompatible Datenschnittstellen anbieten können. Erschwerend ist jedoch, dass es unterschiedliche Standards gibt, die durch ihre spezifischen Mechanismen für bestimmte Anwendungen von Vorteil sind. Der Vorteil, der sich z.B. in Performance und Zuverlässigkeit äußert, macht aber wieder Teilsysteme untereinander inkompatibel. Dieser scheinbare Rückschritt in der Normierung der Datenübertragung ist trotz der Bemühungen vieler Verbände wie VDMA und OPC Foundation in der Praxis fest verankert. Warum aber nimmt die Konnektivität diese "Trade-offs" in Kauf und welche Vorteile können so schwerwiegend sein, dass Standards inkompatibel sind?

Schnittstellenstandards wie OPC UA, MQTT, TCP/IP und REST unterscheiden sich 

• im Aufbau der Nachricht, 
• in den Mechanismen zur Übertragung, 
• der Bestätigung von Übertragungsprozessen,
• in der Hierarchie der Sender und 
• ggf. in der Zwischenspeicherung der Nachricht. 

Sie bieten so Vorteile zur Lösung spezifischer Anforderungen in verschiedenen Anwendungsbereichen.

OPC UA (OPC Unified Architecture) ist eine plattformunabhängige Kommunikationstechnologie, die eine sichere und zuverlässige Übertragung von Daten zwischen Industriegeräten ermöglicht. Sie bietet umfassende Interoperabilität und eine Service-orientierte Architektur.

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) hingegen ist ein Protokoll, das für die effiziente Übertragung von Nachrichten in verteilten IoT-Systemen optimiert ist. Es minimiert Datenverlust durch Verbindungsabbrüche und eignet sich gut für schlechte Netzwerkverbindungen, wie sie z.B. in Mobilfunknetzen zu finden sind.

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) bildet die Grundlage des Internets und ermöglicht die Kommunikation zwischen Geräten über IP-Adressen. Ausgerichtet auf eine zuverlässige, verbindungsorientierte Kommunikation, ist es ideal für Anwendungen, bei denen Datenintegrität von höchster Bedeutung ist, z.B. für IT-Netzwerke.

REST (Representational State Transfer) ist ein Architekturstil, der vor allem in Webanwendungen weit verbreitet ist. Genutzt werden vorhandene HTTP-Methoden, um Daten über standardisierte URLs auszutauschen. REST ist einfach zu implementieren und eignet sich gut für Web-APIs in Cloud-Systemen.

Jede dieser Schnittstellen hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. OPC UA ist mit hohen Funktionsumfang leistungsfähig, kann aber komplex sein. MQTT ist robust, jedoch weniger strukturiert als OPC UA. TCP/IP bietet Zuverlässigkeit, kann aber in ressourcenbeschränkten Umgebungen potenziell problematisch sein. REST ist einfach, aber weniger effizient für eine Echtzeitkommunikation. In der Praxis hängt die Wahl der besten Schnittstelle daher von den Anforderungen der spezifischen Anwendung ab. Je besser die Schnittstelle von Entwickler*innen verstanden wird, umso optimaler gelingt es, die passende Lösung für den jeweiligen Anwendungsfall auszuwählen. Moderne Produktionsumgebungen sind jedoch voll von verschiedenen Datenschnittstellen – welcher Weg kann also eingeschlagen werden, um schnell und effizient zum Ziel einer komplett vernetzten Fertigung zu kommen?

Software zur Schnittstellenintegration und Konvertierung von Datenformaten spielt eine entscheidende Rolle in der heutigen vernetzten Produktionswelt, in der unterschiedliche Systeme, Protokolle und Technologien miteinander kommunizieren müssen. Spezielle Softwarelösungen wie die Low-code Schnittstellenintegrationslösung FabEagle^®Connect bieten eine Vielzahl von Vorteilen, mit der die Interoperabilität, das Monitoring, die Wartung und die Effizienz in komplexen IT-Umgebungen verbessert wird.

1. Vorteil: Nahtlose Verbindung

Eine Schnittstellenintegrationssoftware ermöglicht die nahtlose Verbindung von Systemen, die unterschiedliche Datenformate, Protokolle oder Kommunikationsmethoden verwenden. Sie fungiert dabei als Vermittler, der Daten zwischen diesen Systemen übersetzt und synchronisiert. Dadurch können Unternehmen bestehende Systeme weiterhin nutzen und neue Technologien problemlos integrieren, ohne teure und zeitaufwändige Neuentwicklungen vornehmen zu müssen. Eine Softwarelösung, die verschiedene Schnittstellenprotokolle beherrscht, kann also als Standard innerhalb eines Unternehmens eingesetzt werden und so bei Inbetriebnahmen, Anpassungen und Wartungen Zeit sparen.

2. Vorteil: Datenkonvertierung

Die Konvertierung von Datenformaten ist anspruchsvoll und ein weiterer Vorteil dieser Software. Sie kann Daten aus verschiedenen Quellen in ein einheitliches Format umwandeln, was die Analyse und Verarbeitung erheblich erleichtert. Dies ist besonders wichtig, wenn Daten aus verschiedenen Quellen kombiniert werden, wie Messwerte von Sensoren, Zeitstempel von Maschinensteuerungen oder digitale Signale älterer Maschinen.

3. Vorteil: Kompatibilität zu Edge-Gateways

Ein neuer Trend im Bereich der Konnektivität ist der Einsatz von Edge-Gateways zur Anbindung von Maschinen an Cloud-Lösungen. Diese industrietauglichen Geräte oder Box-PCs agieren zwischen lokalen Datenquellen (wie Sensoren oder Messgeräten) und Cloud-Systemen. Sie ermöglichen eine effiziente Datenverarbeitung und -weiterleitung, da sie die Daten vor Ort verarbeiten können, bevor sie in die Cloud übertragen werden. Dies verbessert die Zuverlässigkeit und verringert den Datenverkehr in der Cloud. Eine Schnittstellenintegrationssoftware kann also direkt auf einem Gateway eingesetzt werden, um Datenformate zu konvertieren und Schnittstellen zwischen Automatisierungstechnik (z.B. TCP/IP, Modbus, OPC UA) und Cloud-Systemen (REST) zu übersetzen.

Die Welt der IoT wie auch des IIoT zeichnet sich dadurch aus, dass alle Netzwerkteilnehmer nahezu gleichberechtigt Daten liefern und konsumieren können. Daraus resultieren eine Vielzahl von Teilsystemen, die potenziell kompromittiert und als Sicherheitslücke das ganze Netzwerk gefährden können. Gleichzeitig zeigen Statistiken, dass die Angriffsversuche mit immer professionelleren Methoden in den letzten Jahren zugenommen haben. Besorgniserregend ist auch, dass nach einer Umfrage von Gemalto nur rund die Hälfte (48 %) aller Unternehmen in der Lage ist, eine Sicherheitsverletzung in ihren IoT-Geräten zu erkennen.¹

Fabrikbetreiber und Anlagenhersteller sind daher gefordert, Mechanismen zu entwickeln, um ihre Geräte, Software und Infrastruktur bestmöglich zu schützen (z.B. durch Konzepte wie Endpoint-Security). Schnittstellenintegrationssoftware und IoT-Gateways können dafür entscheidende Bausteine sein, da sie wie Torwächter Netzwerke wie ein Produktionsnetzwerk und die Cloud (Internet) miteinander verbinden. Die Betreiber sollten also neben dem passenden Preis und der optimalen Leistung auch die angebotenen Sicherheitsstandards und den Support bei der Auswahl ihrer Lieferanten prüfen sowie Lösungen einfordern. Gleichzeitig gilt es, die eigene IT-Infrastruktur zu schützen und die eingesetzte Software kontinuierlich zu aktualisieren.

Als Entwickler industrieller Software sind wir uns den vielfältigen Herausforderungen moderner Produktionsumgebungen hinsichtlich Konnektivität genaustens bewusst. Daher entwickeln wir unsere Schnittstellenintegrationslösung FabEagle^®Connect kontinuierlich weiter, um unseren Kunden Funktionalität, Sicherheit und langfristig zuverlässigen Support zu bieten. Bewährte Kombinationen aus Hardware und Software bieten optimierte Lösungspakete, wie unser Connectivity-Bundle, bestehend aus FabEagle^®Connect und dem Kontron Hardware-Gateway KBox A-250. Oder unser KontronGrid IoT-Bundle, das ein sicheres Gerätemanagement im gesamten Netzwerk ermöglicht und so Wartung und Update-Verteilung optimiert. Bundle-Lösungen aus Soft- und Hardware bieten zudem enorme Vorteile für den langfristigen Support durch den Hersteller, die so ergänzende Softwarepakete in Kombination mit Schnittstellentreibern und Betriebssystem-Hardware testen und aktualisieren können, um komplette Update-Pakete anzubieten.

¹⁾ https://www.infopoint-security.de/media/gemalto-state-of-iot-security-report.pdf, Seite 9