Offene IoT-Ökosysteme – Der nächste Evolutionsschritt zu einer nahtlos vernetzten Welt intelligenter Produkte

K.-D. Thoben, K. Hribernik, R. Hellbach und K. Främling

Eine Zukunft, in der alles auf Basis von Informations- und Kommunikationstechnologien miteinander verbunden ist, verspricht das Internet der Dinge. Dass dabei ein einzelnes globales System die Grundlage für die nahtlose Kommunikation zwischen Dingen ist, scheint aus heutiger Sicht, auf Basis von vielfältigen heterogenen Sub-Systemen und anwendungsspezifischen Lösungen, unmöglich. Man steht damit einer Landschaft aus einer Vielzahl an isolierten „Intranets der Dinge“ gegenüber, welche sich nicht mühelos miteinander verbinden lassen [1]. Dieses Problem lässt sich in vielen Bereichen und Branchen identifizieren (Smart Cities, Smart Factory etc.), in denen intelligente Produkte miteinander interagieren sollen. Ein wesentlicher Ansatz zur Problemlösung ist die Erhöhung der Interoperabilität auf verschiedenen Ebenen der Hard- und Software. Der folgende Beitrag beschreibt einen Lösungsansatz, um Plattform- und Domänen-übergreifende Interoperabilität zwischen Systemen herzustellen.

Das Internet der Dinge (IoT – Internet of Things) beschreibt die Vernetzung und Kommunikation von Alltagsgegenständen, wie unserem Kühlschrank, dem Auto oder Smart Phone. Dabei Kommunizieren die Dinge, auch intelligente Produkte/Objekte genannt, selbst miteinander, ohne dass dies der Mensch aktiv anstoßen muss. Die Ausprägungen der verschiedenen intelligenten Produkte, welche im IoT-Umfeld agieren, sind vielseitig [2]. Die verschiedensten Aufgabenfelder und Einsatzbereiche der intelligenten Produkte unterliegen unterschiedlichsten technologischen Lösungsansätzen und besitzen somit auch unterschiedliche Kommunikationseinrichtungen, wie LAN, WiFi, G3 etc., zugrundeliegende Standards sowie entsprechende Übertragungsprotokolle. Vorausgesetzt, dass diese Barriere durch eine Homogenisierung der Schnittstellen (z. B. Nutzung kompatibler APIs) überwunden wird, können nun intelligente Produkte im Prinzip miteinander kommunizieren. Nichtsdestotrotz stellt die einfache Interaktion von intelligenten Objekten eine Hürde dar, wenn man davon ausgeht, eine Vielzahl verschiedener miteinander zu verknüpfen. Dabei hilft die semantische Selbstbeschreibung eines intelligenten Objekts, um seine Charakteristika und Identität nach außen maschinenverständlich darzustellen. Diese Selbstbeschreibung ermöglicht es, eine automatisierte Verbindungsherstellung zwischen Objekten auf Basis einer (Geschäfts-)Logik zu realisieren.
Diese zwei divergierenden informations- und kommunikationsbasierten Technologiebereiche (Übertragungsstandards und Semantische Annotation/Selbstbeschreibung) implizieren eine scheinbar nicht-handhabbare Vernetzung aller möglichen Objekte, da man n*n viele Verbindungsaufbauten realisieren müsste. Dies wird noch komplexer, wenn man berücksichtigt, dass die Objekte nicht permanent im Betrieb bzw. im Netzwerk verfügbar sind und auf Bedarf einen Verbindungsaufbau herstellen können. Die beschriebene Divergenz und Komplexität wird in Bild 1 im linken Bildbereich verdeutlicht. Die Entwicklung des Internet der Dinge war von verschiedenen Stakeholdern und Interessen unter pragmatischen Ansätzen getrieben. Dies führte zu einer IoT Landschaft, welche heutzutage durch teils große, vertikale (Daten- und Dienstleistungs-Silos wie bspw. von Google, Amazon etc.) geprägt ist.
Das von der Europäischen Union geförderte Projekt bIoTope („Building an IoT Open Innovation Ecosystem for Connected Smart Objects“) versucht dieses Problem zu adressieren und zu überwinden [3]. Um die dargelegte Komplexität im Allgemeinen zu reduzieren, besteht der vordergründige Ansatz darin, auf der Internet-basierten Anwendungsebene eine Abstraktion zu schaffen und Standards (siehe rechte Bildhälfte, Mitte in Bild 1) entsprechend dem Prinzip eines Gateways zu beschränken. Dabei ist hervorzuheben, dass kein Standard obsolet oder ersetzt werden soll, sondern vielmehr die Anforderungen an ein offenes IoT adressiert werden. Neben diesem Ansatz werden weitere Funktionalitäten und Anforderungen im bIoTope Ökosystem adressiert, um eine allgemein umfassende Lösung anzubieten, die im Folgenden genauer erläutert wird.
 


Bild 1: Divergenz aus IuK-Standards sowie Domänen-spezifischen Anforderungen
und verwendeten semantischen Auszeichnung führt zur Etablierung von IoT-Standards.
 

Das bIoTope Ökosystem als System für Systeme

Im Rahmen von bIoTope ist es das Ziel, ein Ökosystem zu entwickeln, das es Unternehmen und jeglichen IoT Lösungsanbieter ermöglicht, neue IoT Systeme einfach zu entwickeln, und schnell verfügbare Informationen nutzbar macht. Dies wird durch die Einsatzmöglichkeiten fortgeschrittener SoS (System-of-Systems) für vernetzte intelligente Objekte erreicht.
Dabei wird nicht grundlegend, wie in oft anzutreffenden Lösungsvorschlägen bzgl. physischer Größe oder Rechenleistung (bspw. IoT Architecture [4]) auf eine geschichtete Architektur fokussiert. Die grundlegende Sichtweise auf das Ökosystem als SoS basiert vielmehr auf Protokollen und Services, die Ersteller/Entwickler schnell und effizient verketten können, um neue Services und Anwendungen zu kreieren. Die genannten Services sind unter dem Prinzip der MSA – Micro Service Architektur – zu verstehen [5]. Das bedeutet, dass jedes System, welches native die gleichen IoT Standards implementiert, direkt mit jedem anderen System kommunizieren kann, das die gleichen Standards versteht. Dieses Prinzip wird in Bild 2 verdeutlicht.


Bild 2: Harmonisierung der Interaktionen von Systemen wird durch IoT Standards realisiert.


Das bIoTope Ökosystem als Lösungsansatz für IoT

Die wesentlichen IoT Standards, die in bIoTope genutzt werden, sind in Bild 1 bereits in der „Taille“ der divergierenden Standards dargelegt. Andere Standards oder proprietäre Protokolle und Formate als die IoT Standards werden durch sogenannte Wrapper dem bIoTope Ökosystem konform angegliedert. bIoTope nutzt dabei als IoT-Standard die volle Zweckmäßigkeit der Nachrichtenstandards O-MI (Open Message Interface [6]) und O-DF (Open Data Format [7]). Diese von The Open Group veröffentlichten Standards entstanden aus vergangenen EU-Projekten des sechsten und siebten Rahmenprojekts (FP6/7), in denen reale Szenarien genutzt wurden (unter Anderem im Bereich von Fahrzeugen, Haushaltsgeräte etc.), um Informationen auf Produktinstanz-Level zu sammeln und zu verwalten. Die verschiedenen Anwendungsbereiche und Branchen konnten hierbei nicht durch einen Standard vereinbart werden, ohne umfassende Modifikationen oder Erweiterungen an bisherigen Lösungen vorzunehmen, woraus O-MI als neuer IoT-Interoperabilitätsstandard spezifiziert wurde. Im Wesentlichen bietet O-MI technische Interoperabilität, die in Bild 3 verdeutlicht wird, welche die nötige generische Funktionalität für IoT Systeme bereitstellt, die durch http nicht realisiert werden kann. Weiterhin kann OMI für die Implementierung von RESTful-basierten IoT-Informationssystemen [8] eingesetzt werden. Dies kann auch auf anderweitige APIs bzw. Standards und Protokolle basierend auf http angewendet werden. Dies wird in Bild 4 (Grafische Darstellung in Anlehnung an [9]) auf der „Session / Communication“-Schicht verdeutlicht und verschafft einen Überblick, wo O-MI und O-DF in der IoT-Landschaft einzuordnen sind. Als Analogie kann man anbringen, dass O-MI und O-DF für das Internet der Dinge das gleiche sind wie http und HTML für das Internet.


Bild 3: Vernetzung von Systemen in einem IoT-Ökosystem durch
die Nutzung des IoT Standards O-MI [6].

O-DF hingegen bietet eine modellbasierte generische Selbstbeschreibung für intelligente Objekte, die zusätzlich durch beispielsweise Domänen-spezifische Ontologien/Vokabulare ergänzt werden kann, und ist somit komplementär zu O-MI. Derzeit basiert der O-DF Standard auf XML sowie einer zugrundeliegenden hierarchisch definierten Struktur und gewährt dadurch einen generischen Ansatz zur semantischen Annotation von IoT sowie anderen (Meta-)Daten. Dies ermöglicht es, auf externe Taxonomien, Ontologien und Vokabulare zu verweisen und dabei Plattform- und Domänen-unabhängig und skalierbar zu sein. Dadurch wird syntaktische und semantische Interoperabilität im bIoTope Ökosystem gewährleistet.


Bild 4: Die IoT-Landschaft und seine Standards angeordnet in Anlehnung an das OSI Schichtenmodell


Funktionale Sicht auf das bIoTope Ökosystem

Bild 5 bietet eine funktionale Sicht auf die beschriebenen Micro Services, die im Rahmen des bIoTope Ökosystems Funktionsblöcke genannt werden. Die Basis für alle Funktionsblöcke ist die Konformität zu O-MI und O-DF. Der Funktionsumfang durch die Konformität schließt direkt auf die fundamentalen Funktionen „Publication & Consumption“ und deren Unterfunktionen, die in einem sogenannten O-MI Knoten verankert sind. Diese funktionalen Blöcke, welche die Bereitstellung und Konsumierung von Daten sowie auch Services im Allgemeinen realisieren, finden sich in nahezu allen Elementen bzw. Entitäten des Ökosystems in verschiedenen Ausprägungen wieder – ob als einfacher Datendienst für das Bereitstellen von Wetterdaten oder als komplexe Dienste-Plattform, die Geschäftsprozesse via O-MI Knoten realisiert. Geht man im Ökosystem von einer Vielzahl dieser Knoten aus, deren Komplexität der Service-Orchestrierung unterschiedlich ist, benötigt man eine vermittelnde Instanz, welche es ermöglicht, dass jeder Knoten jeden anderen Knoten entdecken kann. Dazu dient der Funktionsblock „Marketplace/Service Catalogue“. Eine Instanz dieses Funktionsblocks in bIoTope nennt sich IoTBnB (Internet of Things publication and billing) und soll namentlich an AirBnB erinnern, um die Ähnlichkeit zur Rolle des Vermittlungsportals zum Ausdruck zu bringen. Mit verankert im Marktplatz selbst als auch an anderen Stellen im Ökosystem spielen (Cyber-)Sicherheit und Privatsphäre (Identität und Autorisierung) eine wichtige Rolle. Der verwendete Sicherheitsansatz, findet auf der Anwenderschicht statt, wo sich die Services im Allgemeinen befinden sowie auf der Transportschicht, um den verschiedenen Anforderungen an entsprechende Sicherheit und Verschlüsselungen gerecht zu werden. Dabei kann bspw. auf der Transportschicht mithilfe des Sicherheits-Stacks „MIST“ von ControlThings (Projektpartner von bIoTope) eine Peer-to-peer Verbindung aufgebaut werden [10]. Auf Anwendungsebene werden Lösungen von open Source Anbietern wie AuthO und O-MI eigene Sicherheits-Module [11] verwendet. Das entsprechende Schlüsselmanagement erfolgt über CAs (Certified Authority) und wird in der referenzierten Literatur genauer beleuchtet. Neben den bIoTope-spezifischen Diensten können auch andere Dienste aus dem IoT-Umfeld integriert werden. Dies erfolgt über die Nutzung sogenannter Wrapper, wie zuvor beschrieben.
Im Ökosystem existieren noch vier weitere Funktionsblöcke („Visualization“, „Context Provisioning“, „Service Composition“, „RDF Integration & Semantics“), die im Rahmen von bIoTope entwickelt wurden, welche unterstützend zur Realisierung von Städte-, Domänen- und Plattform-übergreifenden Anwendungsfällen dienen und einen wesentlichen Mehrwert aus Geschäftssicht darstellen. Die spezifische Umsetzung der einzelnen Funktionsblöcke und dahinterliegender Technologien kann der Projekt-Website aus öffentlich verfügbaren Projektberichten entnommen werden.
 


Bild 5: bIoTope Referenzarchitektur aus der Perspektive orchestrierbarer (Micro-)Services.

Fazit – SoS Plattform als Ökosystem für IoT

Mit dem SoS – Systems of Systems Gedanken und der grundlegenden MSA – Micro Service Architecture lassen sich zukunftsfähige und nachhaltige IoT-Plattformen aufbauen, sowie in verschiedensten Anwendungsfällen einsetzen. Vielmehr ist es möglich, bestehende System einzubinden und diese auch weiter betreiben zu können. Der Einsatz von O-MI und O-DF stellen dabei keinen Ersatz für bestehende und zukünftige Standards dar. Vielmehr sollen alle Standards, die domänenspezifisch existieren und ihre Daseinsberechtigung haben, vereint  und Interoperabilität auf verschiedenen Ebenen geschafft werden. Dabei sollen weit verbreitet existierende adhoc Lösungen, wie bspw. APIs basierend auf RESTful WebServices, robuster gemacht werden, auch indem womöglich neu auftauchende de facto Standards in einem IoT-Ökosystem integrierbar sind.

 

Dieser    Beitrag    entstand    im    Rahmen    des    Projekts    „bIoTope    –    Building    an    IoT    Open    Innovation    Ecosystem    for    Connected    Smart Objects“,    das    von    der    Europäischen    Union    im    Rahmen    des    Horizont    2020    Programms    unter    dem    Kennzeichen    688203    gefördert wird.

 

Schlüsselwörter:

IoT, Internet der Dinge, IoT Standards, Interoperabilität, Skalierbarkeit, Service Orchestrierung, IoT-Ökosystem, Semantik

Literatur:

[1] Robert, J.; Kubler, S.; Kolbe, N.; Cerioni, A.; Gastaud, E.; Främling, K.: Open IoT ecosystem for enhanced interoperability in smart cities-example of métropole de lyon. In: Sensors 17 (2017) 12, S. 1-21.
[2] Miorandi, D. u. a.: Internet of things: Vision, applications and research challenges. In: Ad hoc networks 10 (2012) 7, S. 1497-1516.
[3] The bIoTope Project: Results. URL: http://www.biotope-project.eu/results, Abrufdatum 19.02.2018.
[4] Nettsträter, A. (Hrsg): Internet of Thing Architecture: Deliverable D1.3 – Updated reference model for IoT v1.5. URL: http://www.meet-iot.eu/deliverables-IOTA/D1_3.pdf, Abrufdatum 18.02.2018.
[5] Wolff, E.: Microservices: Grundlagen flexibler Softwarearchitekturen. Heidelberg 2015.
[6] The Open Group: Open Messaging Interface (O-MI), an Open Group Internet of Things (IoT) Standard. URL: http://www.opengroup.org/iot/omi/, Abrufdatum 18.02.2018.
[7] The Open Group: Open Data Format (O-DF), an Open Group Internet of Things (IoT) Standard, URL: http://www.opengroup.org/iot/odf/, Abrufdatum 18.02.2018.
[8] Richardson, L.; Ruby, S.: RESTful web services. Sebastopol 2008.
[9] Vermesan, O.; Friess, P. (Hrsg): Internet of thingsfrom research and innovation to market deployment. Aalborg 2014.
[10] Bäckström, K.: D3.7 Framework for Identity Creation, Management and Authentication. 2017
[11] Yousefnezhad, N.; Filippov, R.; Javed, A.; Buda, A.; Madhikermi, M.; Främling, K.: Authentication and Access Control for Open Messaging Interface Standard. In: MibiQuitous (2017) 7-10.