Vernetzung der nächsten Milliarde Geräte Das IoT als Herausforderung

Neue Netzwerktechniken verwalten eine riesige Anzahl von Knoten, die Datenübertragungen auch über mehrere Router steuern.
Neue Netzwerktechniken können eine riesige Anzahl von Knoten verwalten und die Datenübertragungen auch über mehrere Router steuern.

Der IoT-Boom hat dazu geführt, dass häufig bereits die Grenzen der genutzten Funknetzwerke ein weiteres Wachstum behindern. IoT wird sogar schon mit »Interference of Things« übersetzt. Abhilfe versprechen neue Netzwerktechniken, die eine riesige Anzahl von Knoten verwalten können.

Netzwerke für das IoT gibt es in unterschiedlichen Arten und Ausprägungen. Am häufigsten sind Punkt-zu-Punkt-, Stern- und vermaschte Netzwerke (Bild 1).

Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verbinden zwei Geräte miteinander – zum Beispiel den Außensensor einer Wetterstation mit der Basiseinheit im Wohnzimmer. Je nach der verwendeten Funktechnik funktioniert dies für einzelne Verbindungen auch über größere Entfernungen recht gut.Ein sternförmiges Netzwerk verbindet mehrere einzelne Geräte, z.B. PCs, Tablet-PCs usw., mit einem Router.

Einschränkend wirken sich hier die Zahl der vom Router maximal unterstützten Geräte sowie die Tatsache aus, dass ein Router-Ausfall das gesamte System zum Erliegen bringt (Single Point of Failure). Außerdem gibt es noch die vermaschten Netzwerke, in denen alle Geräte miteinander verbunden sind, um Datenpakete von oder nach einem oder mehreren Gateways zu übertragen.

Vermaschte Netzwerke

Vermaschte Netzwerke werden üblicherweise so konfiguriert, dass sie zentral gesteuert oder verwaltet werden. Das Routen der Daten kann entweder auf dem ungesteuerten Weitersenden von Nachrichten (Flooding) oder auf den in Routing-Tabellen definierten Übertragungspfaden beruhen.

Beim Flooding leitet jeder Knoten jedes empfangene Datenpaket an seine Nachbarknoten weiter. Werden viele Nachrichten zwischen den Knoten und dem oder den Gateways übertragen, kann das Netzwerk allerdings leicht in die Sättigung geraten, was der Erweiterbarkeit Grenzen setzt.

In der Routing-Tabelle sind in jedem Knoten lokal die verschiedenen Routen zu dem oder den Gateways hinterlegt. Dies erfordert jedoch zusätzliche Speicherressourcen in den einzelnen Knoten und schränkt damit ebenfalls die Erweiterbarkeit ein.

Vermaschtes Netzwerk mit dezentraler Steuerung

Ein dezentrales vermaschtes Netzwerk greift auf Rechenleistung direkt an den Außengrenzen (Edge) des Netzwerks zurück. Die einzelnen Geräte (Knoten) fällen ihre Entscheidungen, z.B. bei der Wahl des am besten verfügbaren Funkkanals und der Ausgangsleistung, autonom und lokal, ohne auf eine zentrale Netzwerksteuerung zurückzugreifen. Die lokale Entscheidungsfindung bürgt dafür, dass die Geräte im Netzwerk auf jeweils optimale Weise arbeiten, und sie ermöglicht auch eine Erweiterung des vermaschten Netzwerks für IoT-Anwendungen mit einer hohen Anzahl von Knoten (massive IoT).

Die Skalierbarkeit des Netzwerks wird dadurch ermöglicht, dass jeder Knoten im Netzwerk entscheiden kann, als Router zu fungieren. Sobald sich ein neuer Knoten am Netzwerk anmeldet, wird dieser automatisch erkannt und hinzugefügt. In engem Zusammenhang mit der Skalierbarkeit steht die Knotendichte, erfordern bestimmte Anwendungsfälle doch bereits Hunderte oder gar Tausende Knoten in eng umgrenzten Bereichen.

Das Kürzel IoT wird oft scherzhaft als Interference of Things (Störung der Dinge) bezeichnet. Angesichts der immer »smarter« werdenden Welt kann die Zahl der in einem Gebäude befindlichen, per Funk kommunizierenden Geräte und der verwendeten Funktechniken enorm ansteigen und potenziell gravierende Störprobleme heraufbeschwören. Die vernetzten Geräte müssen deshalb in der Lage sein, am Einsatzort den jeweils besten Funkkanal und die optimale Sendeleistung zu ermitteln, um einerseits zuverlässig zu funktionieren und andererseits die Störbeeinflussungen für andere Funksysteme – und von diesen – zu minimieren.