Bei IoT geht es um das Erfassen von Maschinen- oder Objekt-Daten. Da diese Geräte jedoch nicht wie der Computer zu Hause oder im Rechenzentrum einen festen Internetanschluss haben oder große Datenmengen lokal zu verarbeiten sind, kommen Devices in der Edge bzw. Edge Gateways zum Einsatz. Dieser Abschnitt gibt einen Überblick zur Edge, konkrete Beispiele und Use Cases aus verschiedenen Industrien haben wir hier zusammengestellt.
Definition Edge im Kontext IoT
Der IoT-Kontext unterscheidet häufig zwischen OT (Operational Technology) und IT (Information Technology). Die IT bezeichnet dabei alle Computer, Netzwerkinfrastruktur, Drucker etc. die einen sicheren Austausch und die Verarbeitung elektronischer Daten gewährleisten. Bei OT geht es hingegen vornehmlich um Kontrollsysteme zur Steuerung und Monitoring von Industrieprozessen.
Viele dieser OT-Bestandteile waren historisch über lokale Netzwerke miteinander verbunden oder vollkommen “standalone” – sind also ohne jeglichen Netzwerkzugriff betrieben worden. Nun verschmilzt die OT durch das Internet der Dinge zunehmend mit der IT: Systeme werden mit dem Rechenzentrum oder dem Internet verbunden und Unternehmen ganzheitlich digital gesteuert. Hier spielen Trends wie 5G, die zunehmende Nutzung von Cloud Computing und Software as a Service (SaaS) eine zunehmende Rolle. Nie war es so einfach wie heute, unter Zuhilfenahme von kabellosen Netzwerktechnologien Geräte miteinander zu verbinden; besonders für Anwendungsfälle, die historisch aufgrund fehlender Rechenleistung nur schwierig, wenn nicht gar unmöglich gewesen wären.
Daten müssen mit heutigen Technologien zur ganzheitlichen Steuerung eines Unternehmens nicht mehr lokal gesammelt, mit Batch-Jobs transformiert, importiert und dann verarbeitet werden, sondern die genutzten Endgeräte, sind über das Internet direkt miteinander verbunden. Genau davon ist bei der Edge die Rede, die Edge sind die Endpunkte des Netzwerks, die Punkte, an denen eine Maschine, ein Gerät oder ein Objekt mit der digitalen Welt interagiert.
Das gilt für alle Formen des Internets der Dinge. Im obigen Beispiel ging es dabei vornehmlich um ein Beispiel aus dem Industrial Internet of Things (IIoT), gleiches gilt aber auch für andere Bereiche wie Wearables. Hier ist dann beispielsweise eine Apple Watch mit SIM-Karte das Edge-Device.
Edge Devices
Edge Devices sind gemeinhin die Eingangspunkte zu einem Netzwerk, sie sind die Geräte durch die eine Verbindung zwischen dem Wide Area Netzwerk und Local Area Netzwerk entsteht. Diese Definition ist im Kontext des Internet of Things oftmals etwas schwammiger, da hier die Sensoren und Geräte auch als Edge Devices bezeichnet werden, auch wenn Sie nicht direkt, sondern über ein Edge Gateway mit dem Unternehmensnetzwerk verbunden sind. Dabei ist ein Edge Gateway ein Endgerät am Rand des Unternehmensnetzwerks, dass mit einem lokalen oder einem High-Speed Internetanschluss verbunden ist welche Technologien für die Konnektivität in unterschiedlichen Use Cases am besten geeignet ist, finden Sie in unserem Beitrag zur Technologieauswahl.
Ziel ist es, von dem Objekt welches die Daten liefert eine digitale Repräsentation aufzubauen. Dieser wird oft auch als Digital Twin oder Digitaler Zwilling bezeichnet. Eine solche Abbildung liefert einen enormen Mehrwert für Unternehmen und Organisationen, da sich so eingesetzte Assets effizienter und effektiver steuern, monitoren und einsetzen lassen.
Was passiert bei Internetausfällen?
Um operative Daten bei Internetausfällen nicht zu verlieren, werden die vom Edge Device aufgezeichneten Informationen im Optimalfall auf dem Gerät selbst oder einem Gateway zwischengespeichert. Dadurch wird einem Datenverlust vorgebeugt.
Dieses Vorgehen wird in der Applikationsentwicklung oft als Offline-First-Prinzip bezeichnet: Einem Applikations- / Architektur-Design, bei dem davon ausgegangen wird, dass die Geräte offline sein können und die wichtigsten Funktionalitäten einer Applikation weiterhin gewährleistet sind. Sobald eine Verbindung mit dem Internet aufgebaut werden kann, erfolgt die Synchronisation von Daten dann mit einer zentralen Datenbank. Dabei müssen Konflikte, die aufgrund von Zugriffen unterschiedlicher Systeme zwischen den beiden Datenbeständen entstehen, aufgelöst werden. Bei dieser Zwischenspeicherung kommen oft Message Queues und Standards wie MQTT zum Einsatz, um eine asynchrone Verarbeitung zu ermöglichen sowie Garantien zur Verarbeitung von Daten einzuhalten.
Was passiert beim Ausfall eines Cloud-Providers?
Ein solches Szenario ist zwar recht unwahrscheinlich, sofern das System über mehrere Availability-Zones und Regionen aufgebaut ist. Trotzdem gab es beispielsweise während der Covid-19-Pandemie Einschränkungen in der Verfügbarkeit von Ressourcen in der Microsoft Azure Cloud. Daher ist es grundsätzlich immer von Vorteil über Multi-Cloud im Applikationsdesign nachzudenken. Dieses Vorgehen erlaubt es Unternehmen den Vorsprung ausgewählter Cloud-Provider, z.B. Googles Technologien im Bereich künstliche Intelligenz, für sich nutzen zu können. Darüber hinaus entstehen Wettbewerbsvorteile durch eine hohe Servicequalität gegenüber anderen Unternehmen, die in solchen Situationen Ihren Service nicht oder nur teilweise anbieten können.
Definition Edge Gateway
Im Prinzip lässt sich ein Edge Gateway mit einem Router zu Hause oder im Büro vergleichen. Ein Gateway sammelt und verteilt Daten zwischen Endgeräten, sorgt für Sicherheit und liefert einen zentralen Anlaufpunkt um administrative Aufgaben zu erfüllen, wie zum Beispiel Zugriffsrechte zu steuern. Darüber hinaus liefert ein IoT Edge Gateway allerdings noch einiges mehr an Funktionalitäten und werden zunehmend auch mit “Intelligenz” ausgestattet. Diese ist notwendig für Services wie Dienstqualität (QoS) oder Multi-Service-Funktionen für unterschiedlichen Datenverkehr zu ermöglichen.
Aufgaben eines IoT / Edge Gateways
Die Aufgaben eines IoT- oder Edge-Gateways sind vielfältig und orientieren sich an den grundlegenden Überlegungen zur Einsatz von Gateways:
- Security: Einige Daten sind besonders schützenswert und sollten nicht über das öffentliche Internet übertragen werden – auch nicht, wenn sie verschlüsselt sind oder per VPN übertragen werden
- Compliance: In einigen Ländern gibt es behördliche Vorschriften, wo und wie Daten verarbeitet werden dürfen – und somit ist der Einsatz von Cloud untersagt
- Bandbreite: In manchen Anwendungsfällen sind die Datenmengen zu groß, um sie permanent in ein zentrales Rechenzentrum oder die Cloud zu übertragen.
- Latenzen: Zeitkritische Anwendungen erlauben es oftmals nicht, Daten über weite Strecken zu übertragen und die Ergebnisse von Berechnung wieder an Devices zurückzusenden
- Zuverlässigkeit: Gerade bei instabilen Netzwerkverbindungen ist eine lokale Datenverarbeitung aus Sicherheitsgründen oder zur Sicherstellung des Geschäftsbetriebs notwendig
- Kosten: Die Übertragung großer Datenmengen über das Internet sowie deren zentrale Speicherung kann schnell sehr teuer werden
Was für Edge Gateways gibt es?
Edge Gateways gibt es in allen Formen und Farben. Oftmals kommen günstige Einplatinen Computer zum Einsatz, es gibt aber auch dedizierte Hardware, welche speziell für diesen Einsatzzweck entwickelt wurde.
In einfachen IoT Projekten kommen daher oft Raspberry Pi zum Einsatz. Diese haben aufgrund Ihrer Natur den Vorteil, dass sie enorm günstig und vielseitig einsetzbar sind. Allerdings haben sie auch einige Limitationen weswegen in großen Projekten oft auf Proprietäre Lösungen zurückgegriffen wird, eine solche Lösung ist beispielsweise Hivecell.
IoT Gateways und Edge Computing
Um Netzwerklatenzen zu vermeiden, den Aufwand des Datentransfers zu reduzieren und die damit verbundenen Kosten zu limitieren werden immer mehr Aufgaben statt in unternehmenseigenen Rechenzentren oder der Cloud direkt “at the edge” übernommen.
So werden in Edge Gateways Daten oft vorverarbeitet, bevor sie in die zentrale Datenhaltung überführt werden, oder es werden bereits trainierte Machine Learning Modelle direkt auf dem Edge Gateway genutzt, um Entscheidungen zu treffen. Ein weiterer Einsatzzweck, ist es Daten die gesammelt wurden, nicht erst in die Cloud zu schicken, sondern direkt vor Ort in Dashboards zu visualisieren und die gewonnen Informationen dann in einer geringeren Auflösung für weitere Analysen und den Transport in eine zentrale Datensenke zu konsolidieren.
Weitere Anwendungsfälle und detailierte Case-Studies finden Sie hier verlinkt: IOT HUB PAGE – SEKTION USE CASES
Mehr zur Auswahl der richtigen Technologien für Ihren IoT Use-Case finden Sie hier: TECHNOLOGIE AUSWAHL
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