In der Anfangszeit der Vernetzung wurde mit „Gateway“ im Wesentlichen Hardware bezeichnet, die Protokolle übersetzen konnte. Das Internet entwickelte sich weiter, und Router und Switches wurden nun zur vorherrschenden Netzwerk-Komponenten. Gateways gerieten fast in Vergessenheit, bis schließlich das Internet of Things (IoT) auf der Bildfläche erschien.
Heute ist es nahezu unmöglich, einen IoT-Anwendungsfall ohne Gateway zu entwickeln. Je nach Umfang der Architektur kann es mehrere Gateways geben, die jeweils eine andere Funktion übernehmen. Deshalb ist es nicht verwunderlich, dass der Markt für IoT-Gateways schnell wächst. Es ist davon auszugehen, dass bis 2021 über 139 Millionen Geräte geliefert werden. Diese Erkenntnis stammt aus dem ABI Research-Bericht zu M2M/IoT-Routern und Gateways aus dem 3. Quartal 2019.
Wodurch sind Gateways aber so wichtig für das IoT geworden?
In seiner einfachsten Form kann ein IoT-Gateway einfach eine Hardware oder Software sein, die Daten von IoT-Geräten wie Sensoren erfasst und sammelt. Das Gateway übermittelt die Daten dann an Server in lokalen Rechenzentren oder in der Cloud. In einem so vereinfachten Kontext (z. B. beim Nachrichtenprotokoll MQTT) agiert das Gateway als „Vermittler“.
Allerdings kommt leicht Verwirrung auf, wenn es um die Rolle von IoT-Gateways geht. Schließlich sollen auf dem Markt laut Prognosen von Gartner® Inc. bis 2020 20 Milliarden IoT-Geräte ihren Betrieb aufnehmen, und Anbieter machen mit verschiedensten Gateway-Funktionen Werbung. Sehen wir uns also die wesentlichen Funktionen von Gateways im IoT einmal genauer an.
Am häufigsten werden IoT-Gateways als Edge-Geräte eingesetzt, und zwar in einem Ausmaß, dass einige Anbieter sie sogar als „Edge“-Gateways bewerben. Wie in Abbildung 1 dargestellt, verbindet sich das Edge-Gateway entweder direkt mit den IoT-Feldgeräten (Sensoren, Aktoren usw.) oder über speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Prozessleitsysteme, industrielle Steuerungssysteme/Überwachung, Steuerung und Datenerfassung (ÜSE) usw., die Felddaten sammeln. Diese Gateways müssen ein großes Spektrum an I/O-Schnittstellen unterstützen, darunter kabelgebundene, kabellose und sogar serielle Verbindungen (z. B. RS-232).
In solchen Szenarien dienen Gateways zwei Zielen:
Abbildung 1: Gateways werden auf verschiedenen Ebenen von IoT-Architekturen eingesetzt (Quelle: Practical Industrial Internet of Things Security)
Eine noch kritischere Funktion von Edge-Gateways ist die Verwaltung der lokalen Datenverarbeitungs-Ressourcen. Jedes Bit, das an die Cloud gesendet wird, kostet Geld, Bandbreite und Latenz. Anstatt nun alle Daten an die Cloud zu senden, verteilen Edge-Gateways die anfallenden Aufgaben auf ihre systemeigenen CPUs oder auf Fog-Knoten und senden nur die wichtigen Daten an die Cloud.
Edge-Gateways sind üblicherweise mit erheblicher Verarbeitungsleistung ausgestattet (z. B. nutzt Dell die Dual-Core-Prozessoren Atom von Intel) und verfügen über Software-„Intelligenz“, die Filterung, Analyse und sichere Elemente umfasst.
In Industrieunternehmen ist alte Ausrüstung ein großes Hindernis für die Einführung von IoT. Durch die lange Lebensdauer von Industrie-Systemen liegt es nahe, alte Geräte in IIoT-Architekturen (Industrial Internet of Things) zu integrieren, statt sie zu ersetzen. Aber wie?
Einige der am häufigsten auftretenden Herausforderungen mit alten Produkten sind:
Um die IoT-Einführung in diesen „Brownfield“-Szenarien oder wenn neue Software in einer IT-Umgebung mit Altsystemen installiert wird zu vereinfachen, schließen IIoT-Gateways die Lücken, denn sie übersetzen proprietäre Protokolle, bereinigen eingehende Daten, ergänzen die Daten mit Kontextinformationen und agieren als „Proxy“ zur Vereinfachung von Firmware-Updates, des Datenzugriffs und der Durchführung anderer Sicherheitsfunktionen.
An Industriestandorten nutzen Netzwerksegmente üblicherweise unterschiedliche proprietäre Protokolle. Im Laufe der Zeit haben industrielle Informationssysteme (d. h. Data Historian, Asset Manager, Manufacturing Execution-Systeme usw.) begonnen, Varianten der IP- und Ethernet-Standards zu nutzen. Diese Varianten unterstützen jedoch nur ganz spezielle Industriezweige. So nutzen beispielsweise Elektrizitätswerke die Verbindungsprotokolle DNP3 und DC-BUS, während in der Gebäudeautomatisierung MODBUS, DAC-Net usw. zum Einsatz kommen.
Dies wirkt sich auf die Interoperabilität zwischen den Bereichen aus. In einem Smart City-Projekt zum Beispiel müssen Gebäudeautomatisierung und Versorgungseinrichtungen gekoppelt werden. Die Konvergenz von Verbindungen zwischen verschiedenen vertikalen Bereichen ist eine weitere kritische Lücke, die Gateways überbrücken. Sie können auch unterschiedliche Netzwerke an einem Industriestandort miteinander verbinden.
Am oberen Ende des Spektrums dienen IoT-Gateways als Schnittstelle zwischen lokalen Implementierungen und der Cloud. Diese Gateways führen komplexe Analysealgorithmen und Machine Learning-Modelle für eingehende Daten aus, regeln die Fabrikautomatisierung und führen Identitäts- und Authentifizierungsdienste sowie Vorhersageanalysen usw. aus, ohne Kontakt zur Cloud herzustellen. Die Grenze zwischen Gateways und IoT-Plattformen verschwimmt.
IoT-Gateways enthalten sowohl Software- als auch Hardware-Komponenten. Die Software kann auf dedizierten oder virtualisierten Plattformen ausgeführt werden. Der Software-Stack führt verschiedene Funktionen aus, zum Beispiel die Protokollübersetzung, Datenverarbeitung, Speicherung, Sammlung und Analyse.
Ebenso wie sich die IoT-Anwendungen weiterentwickeln, wird sich auch die Funktion der IoT-Gateways weiterentwickeln. Für die zukunftssichere Gestaltung von Innovationen ist das Design plattformunabhängiger Gateway-Software eine grundlegende Voraussetzung. Die Nutzung dieser Software hilft dabei, eine Anbieterabhängigkeit zu vermeiden und ermöglicht es, problemlos neue Funktionen zu ergänzen. AWS Greengrass und Microsoft® IoT Edge sind Beispiele für softwareunabhängige Edge-Gateways.
Da Gateways auch im Freien zum Einsatz kommen, müssen sie für raue Umgebungen konzipiert sein. Die Hardware muss manipulationssicher sein und einen großen Betriebstemperatur-Bereich unterstützen. Gateways mit „lüfterlosem“ Design benötigen weniger Leistung und eignen sich auch für Umgebungen mit eingeschränkten Ressourcen.
Da IoT-Gateways wesentliche Komponenten von IoT-Architekturen sind, expandiert der Markt schnell. Zu den wichtigsten Anbietern zählen unter anderem HP Enterprise, Intel®, Cisco, Dell, Fujitsu, Microsoft, IBM, Red Hat, Oracle, VMware, Huawei und Pivotal.
Mit neuen IoT-Verbindungstechnologien und -standards ist die Branche gut aufgestellt, um neue Gateways für neue Funktionen auf den Markt zu bringen. Jetzt ist ein wirklich hervorragender Zeitpunkt für Innovationen und die Implementierung neuer Gateway-Elektronik und -Software.
Kernaussagen:
Beim Gateway-Design muss dem sicheren Betrieb in ressourcenbeschränkten und extremen IoT-Umgebungen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden.
Sravani Bhattacharjee ist seit über 20 Jahren als Datenkommunikationstechnikerin tätig. Sie ist die Autorin von „Practical Industrial IoT Security“, dem ersten veröffentlichten Buch zum Thema Industrial IoT-Sicherheit. Als Technology Leader bei Cisco leitete Sravani bis 2014 die Architekturplanung und Produkt-Roadmap für mehrere Enterprise Cloud-/Rechenzentren. Als Chefin von Irecamedia.com arbeitet Sravani derzeit mit Industrial IoT-Innovatoren daran, durch verschiedenste redaktionelle und technische Marketing-Beiträge die Aufmerksamkeit für diesen Themenbereich zu erhöhen und Geschäftsentscheidungen voranzubringen. Sravani verfügt über einen Masterabschluss in Elektrotechnik. Sie ist Mitglied des IEEE IoT Chapters, Autorin und Rednerin.