Komponenten und Aufbau moderner IoT-Architekturen

Was ist eine IoT-Architektur?

Die IoT-Architektur ist im Kern das strukturierte Design, das die Komponenten eines IoT-Systems und deren Interaktion definiert. Sie umfasst die einzelnen Technologiekomponenten – Hardware, Software und Services – sowie deren Beziehungen zueinander.

Eine Architektur ist kein einfacher Katalog von Teilen, sondern ein Modell, das zeigt, wie diese Teile kommunizieren und zusammenarbeiten. Eine Cloud-Plattform ist zum Beispiel keine Komponente an sich, eine Cloud-gehostete Analyse-Engine hingegen schon. Ebenso wird ein intelligenter Sensor oder Aktor erst dann Teil der Architektur, wenn er eine definierte technische Funktion im System erfüllt.

Nur wenn diese Beziehungen verstanden und visualisiert werden, sind Interoperabilität, Skalierbarkeit und Sicherheit in einem vernetzten Ökosystem gewährleistet.

Was sind die Komponenten der IoT-Architektur?

Obwohl einzelne Implementierungen variieren können, verfügen die meisten IoT-Architekturen über die in Abbildung 1 dargestellten vier Hauptkomponenten.

Sicherheits- und Managementkomponente

Die Sicherheits- und Managementkomponente schützt IoT-Geräte, Netzwerke und Datenflüsse durch Firmware-Schutz, Verschlüsselung, Zugriffskontrollen und kontinuierliche Überwachung.

Anwendungs- und Analysekomponente

Die Anwendungs- und Analysekomponente bildet das intelligente Zentrum der IoT-Architektur. Sie ist für die Verarbeitung, Analyse und Visualisierung der von Sensoren und Edge-Geräten gesammelten Daten verantwortlich. Sie umfasst nicht nur herkömmliche Analyse- und Machine-Learning-Tools (ML), sondern integriert auch mehrere architektonische Unterschichten: die Analyse-, die Visualisierungs- und die Wahrnehmungsebene.

Zusammen ermöglichen diese Subschichten IoT-Systemen, Daten zu sammeln und zu übertragen, Erkenntnisse in Echtzeit abzuleiten, Ergebnisse zu visualisieren und intelligente Maßnahmen zu ergreifen. Damit bilden sie die kognitive und operative Grundlage für intelligente Umgebungen in Branchen wie dem Gesundheitswesen, der Fertigung, der Logistik und in Smart Cities.

Infrastrukturkomponente

Zur Infrastrukturkomponente zählen alle physischen und virtuellen Systeme, die die Generierung und Übertragung von IoT-Daten unterstützen. Dazu gehören Sensoren, Aktoren, Gateways sowie die Netzwerke, die diese miteinander verbinden (WLAN, 5G/6G, Bluetooth, LoRaWAN, Wireless WAN und so weiter).

In einer IoT-Architektur muss die Anwendungsschicht beispielsweise nicht wissen, über welche Art von physischem Netzwerk die Daten übertragen werden. Alle Netzwerkgeräte bilden die Netzwerkschicht, die den Traffic entsprechend den Anforderungen der Anwendungen transportiert.

Integrationskomponente

Die Integrationskomponente gewährleistet einen reibungslosen Daten- und Serviceaustausch zwischen IoT-Anwendungen und Unternehmens-IT-Systemen, zum Beispiel ERP-, CRM- oder EAM-Tools. Die Integration basiert häufig auf Middleware-Tools wie Apache Kafka und Oracle Fusion Middleware oder auf Open-Source-IoT-Plattformen wie LinkSmart.

Der zweite Teil der Architektur betrifft die Beziehung zwischen den Komponenten, also wie sie miteinander kommunizieren und welche Arten von Informationen ausgetauscht werden.

Dies kann den Datenfluss, den Metadatenfluss, Steuerungsinformationen oder gar keinen Austausch umfassen. Softwarekomponenten kommunizieren in der Regel über APIs, Netzwerkkomponenten hingegen über Netzwerkprotokolle.

IoT-Architekten denken häufig in Komponentenebenen. Diese Ebenen können zum Beispiel die Netzwerkschicht, die Wahrnehmungsschicht, die Verarbeitungsschicht, die physische Schicht, die Gateway-Schicht, die Plattformschicht, die Geräteschicht, die Geschäftsschicht, die Sicherheitsschicht und die Sensorschicht umfassen.

Das Konzept einer Schicht besteht darin, dass sie eine Reihe von Funktionen umfasst, die miteinander kommunizieren, aber für die Zwecke anderer Komponenten als eine einzige Einheit mit einer einzigen transparenten Entität behandelt werden können.

Die Beziehung zwischen den Komponenten ist der zweite Teil der Architektur. Mit Beziehung zwischen meinen wir, wie die Komponenten miteinander kommunizieren und welche Art von Informationen ausgetauscht werden. Dies kann den Datenfluss, den Fluss von Metadaten, Kontrollinformationen oder auch gar keine Informationen umfassen. Softwarekomponenten kommunizieren oft über APIs, und Komponenten der Netzwerkschicht normalerweise über Netzwerkprotokolle.

Wenn wir von Schichten oder Layern sprechen, denken IT-Architekten oft in Form von Komponentenschichten, zum Beispiel einer Netzwerkschicht, Wahrnehmungsschicht, Verarbeitungsschicht, physischen Schicht, Gateway-Schicht, Plattformschicht, Geräteschicht, Geschäftsschicht, Sicherheitsschicht, Sensorschicht und so weiter.

Das Konzept einer Schicht besteht darin, dass sie eine Reihe von Fähigkeiten umfasst, die miteinander kommunizieren, aber für die Zwecke anderer Komponenten als eine einzige Einheit behandelt werden können, mit einer einzigen transparenten Einheit.

So muss beispielsweise in einer IoT-Architektur die Anwendungsschicht nicht wissen, welche Art von physischem Netzwerk die Daten überträgt. Alle Netzwerkgeräte bilden die Netzwerkschicht, die den von den Anwendungen benötigten Datenverkehr transportiert.

Was sind die 6 Schichten der IoT-Architektur?

Im Folgenden werden die sechs Schichten der IoT-Architektur beschrieben. Beachten Sie, dass einige Schichten aus Unterschichten bestehen. Dies ist ein häufiges Merkmal komplexer Architekturen wie der IoT-Architektur (siehe Abbildung 2).

1. Physische/Geräteschicht

Zur physischen Schicht zählen alle Sensoren, Aktoren und andere intelligente Geräte. Diese erfassen entweder Daten (Sensoren) oder führen Aktionen aus (Aktoren) – manchmal auch beides.

2. Netzwerkschicht

Zur Netzwerkschicht zählen Netzwerkgeräte, Kommunikationstypen und Protokolle. Zwar basieren viele IoT-Architekturen auf universellen Netzwerkschichten, jedoch gibt es einen zunehmenden Trend hin zu IoT-spezifischen Netzwerken. Dies gilt insbesondere für Umgebungen mit vielen dedizierten IoT-Geräten, zum Beispiel in Fabrikhallen und Transport- und Distributionszentren.

3. Daten-/Datenbankschicht

Zur Datenschicht gehört auch die Datenbankplattform. Für IoT-Architekturen wird eine Reihe von Datenbankplattformen verwendet und viele Unternehmen investieren viel Zeit in die Auswahl der richtigen IoT-Datenbanken und deren Architektur. Die oben beschriebene Infrastrukturkomponente setzt sich aus der physischen/Geräte-Schicht, der Netzwerkschicht und der Daten-/Datenbankschicht zusammen.

4. Analyse-/Visualisierungsschicht

Diese Schicht konzentriert sich im Wesentlichen auf die Analyse der vom IoT gesammelten Daten und deren Bereitstellung für Benutzer und Anwendungen, damit diese sie verstehen können. Sie umfasst drei Unterschichten:

• Analyseschicht: In dieser Schicht werden fortschrittliche Algorithmen, statistische Modelle und maschinelles Lernen genutzt, um aus rohen IoT-Daten umsetzbare Erkenntnisse zu gewinnen. Mögliche Anwendungen sind vorausschauende Wartungsmodelle, Systeme zur Erkennung von Anomalien und Optimierungsalgorithmen, die in Echtzeit Entscheidungen ermöglichen. Neben Cloud-nativen KI- und ML-Diensten wie AWS SageMaker, Azure Machine Learning Studio, Google Clouds Vertex AI und IBM Watson kommen hier häufig Tools und Plattformen wie R, SAS, SPSS und Python-basierte Frameworks (etwa Scikit-learn oder TensorFlow) zum Einsatz.
• Visualisierungsschicht: Die Visualisierungsschicht übersetzt verarbeitete Daten in aussagekräftige Dashboards und grafische Benutzeroberflächen. So können Stakeholder IoT-Metriken in Echtzeit überwachen, mit ihnen interagieren und Entscheidungen treffen. Diese visuellen Oberflächen reichen von mobilen Apps bis hin zu Dashboards auf Unternehmensebene. Sie umfassen Tools wie Grafana, Kibana, Power BI sowie Tableau und benutzerdefinierte Cloud-Dashboards, die von führenden Cloud-Anbietern bereitgestellt werden.
• Wahrnehmungsschicht: Die Wahrnehmungsschicht ist logisch mit der Anwendungs- und Analysekomponente verbunden, obwohl sie typischerweise mit der physischen Sensorkomponente in einem IoT-Stack in Verbindung gebracht wird. Sie definiert, wie Daten zunächst erfasst und in einen Kontext gesetzt werden. Sie umfasst Umgebungssensoren, RFID-Tags, Kameras oder biometrische Geräte, die alle Daten generieren, die in die Analyse-Engine eingespeist werden. In fortgeschrittenen Implementierungen wird das Feedback der Wahrnehmungsschicht auch in Analysealgorithmen integriert, was adaptive Sensorik und kontextbezogene Datenverarbeitung ermöglicht.

5. Anwendungs-/Integrationsschicht

Anwendungen und Plattformen arbeiten zusammen, um Funktionen der IoT-Infrastruktur für das Unternehmen bereitzustellen. Mit anderen Worten bieten die Anwendungsschicht, die Plattformschicht und die Integrationsschicht einen geschäftlichen Mehrwert, der aus der IoT-Infrastruktur abgeleitet wird. Die Verarbeitungs- und Geschäftsschichten sind wichtige Bestandteile der umfassenderen Anwendungs- oder Integrationsschicht.

6. Sicherheits- und Managementschicht

Genau genommen handelt es sich hierbei nicht um eine einzelne Schicht, sondern um eine Verbindung zu allen anderen Schichten, die für Sicherheit und Verwaltung sorgt. Es ist ein wesentliches Element, das in jeder Schicht berücksichtigt werden muss.

Die Anordnung der sechs Schichten entspricht dem OSI-Modell, aus dem das Schichtkonzept ursprünglich stammt (siehe Abbildung 3).

Fazit

Führungskräfte aus den Bereichen Unternehmens-IT, Betriebstechnologie und IoT sollten IoT-Implementierungen auf einer konsistenten, mehrschichtigen Architektur aufbauen. Dies erfordert keine identischen Technologie-Stacks, aber ein gemeinsames Verständnis der IoT-Architekturschichten und deren Beitrag zu den Geschäftsergebnissen.

Achten Sie bei der Konzeption oder Bewertung eines IoT-Systems darauf, dass dessen Architektur folgende Anforderungen erfüllt:

• Sie deckt alle sechs Schichten ab, von der physischen bis zur Anwendungsschicht.
• Sie unterstützt skalierbare Daten- und Analyse-Workflows.
• Sicherheit ist auf jeder Ebene integriert.
• Sie ist in die IT-Umgebungen des Unternehmens integriert.

Ein klares Architekturmodell beschleunigt nicht nur die Bereitstellung, sondern gewährleistet auch langfristigen Erfolg, Ausfallsicherheit und ROI in einer sich schnell entwickelnden IoT-Landschaft.

Dieser Artikel wurde ursprünglich von Johna Till Johnson verfasst und von Jerald Murphy aktualisiert.