IoT

Einführung in der Internet der Dinge

Einführung in der Internet der Dinge


L. G.
Diese Lernkarten behandeln grundlegende und fortgeschrittene Konzepte des Internet of Things (IoT) auf Universitätsniveau. Sie decken Themen wie Netzwerktopologien, IoT-Komponenten, Sicherheitsaspekte, und verschiedene Technologien wie Bluetooth LE, NFC, und 6LoWPAN ab. Die Karteikarten sind besonders nützlich für Studierende und Fachleute, die sich mit der Implementierung und dem Management von IoT-Systemen beschäftigen, da sie sowohl theoretische Grundlagen als auch praktische Anwendungen vermitteln.
Cartes-fiches
57
Utilisateurs
1
Langue
Allemand
Catégorie
Informatique
Niveau
Université
Créé / Mis à jour
04.01.2021 / 05.11.2022

Cartes-fiches

Begriff Internet of Things

Die Vision, Objekte jeder Art in ein universales digitales Netz zu integrieren

Vernetzung von Gegenständen mit dem Internet, damit diese selbständig über das Internet kommunizieren und so verschiedene Aufgaben erledigen können. 

Web 1.0

read only web

Informationen können gesucht und angezeigt werden

Nutzer passive Rolle als Konsument von Inhalten

HTML/HTTP

Web 2.0

- read write web / social Web

- Nutzer selber Inhalt generieren/mit anderen Nutzern zu interagieren

- user-generated content (UGC)“; z.B. Cloud Computing, soziale Netzwerke (Facebook, XING), Wikis (Sammeln und Austausch von Wissen);

- Inhalte können dynamisch erzeugt/verwaltet werden mit CMS

Web 3.0

- semantisches Web; Informationen werden von Nutzern als Metatext zur Verfügung gestellt;

- Infos haben Beziehungen untereinander; semantische Verknüpfung von Informationen 

- Ziel ist das Finden, teilen und Verknüpfen von Informationen 

Protokolle XML (Extensible Markup Language), RDF (Resource Description Framework)

oder OWL (Web Ontology Language)

Web 4.0 

Internet of things; Risiken Datenschutz/Datensicherhei

Industrie 4.0

Sind mechanische Bestandteile mit informations- und softwaretechnischen

Komponenten über ein Netzwerk verbunden und kommunizieren diese über Sensoren und

Aktoren (Antriebselemente) mit ihrer Umwelt, dann spricht man auch von sogenannten cyber-physischen Systemen.

Maschinen nehmen selbst Produktionsumplanung vor.

Smarte Dienstleistungen

  • Kontrolldienstleistungen (z. B. Sendungsverfolgung [track & trace] von Paketsendungen)
  •  Leasingdienstleistungen (z. B. nutzungsorientierte Abrechnung von Parkplätzen);
  •  Risikodienstleistungen (z. B. Versicherungsprämien, die auf dem Risikoverhalten desKunden basieren);
  •  Informationsdienstleistungen (z. B. Hintergrundinformationen zu Ausstellungsobjektenin Museen oder zu Denkmälern);
  • komplexe Dienstleistungen (Kombination der dargestellten Dienstleistungsarten).

Datenschutz

Schutz personenbezogener Daten (jeder entscheidet selbst über seine Daten)

Datensicherheit

  • Vertraulichkeit (Schutz gegen unerlaubte Preisgabe)
  • Integrität   (Daten nicht unerlaubt verändert werden)
  • Verfügbarkeit   (Daten dann funktionsfähig wenn benötigt)

Privacy by Design-Prinzip

berücksichtigt datenschutzrechtliche Anforderungen bereits im

Entwicklungsprozess einer Software oder Elektronikkomponente.

Empfehlungen Datenschutz

• Nicht benötigte Funktionen sollten deaktiviert werden.

• Standardpasswörter und Benutzernamen sollten unbedingt geändert werden.

• Patches und Updates sollten zeitnah eingespielt werden.

• Datenübertragungen sollten verschlüsselt erfolgen.

Netzwerktopologien

Anordnung der Netzwerkstationen und wie die Netzwerkkabel

zwischen den Stationen geführt werden.

Bus-Topologie

Alle Stationen sind über ein gemeinsames Übertragungsmedium miteinander verbunden.

Keine zentrale Komponente die Zugriff auf Übertragungsmedium und Kommunikation zwischen Stationen steuert, dies wird von den Stationen selbst realisiert 

Zum Senden hört Station Übertragungsmedium ab und wenn keine andere Station sendet, beginnt Übertragung

Kollision:

zwei Stationen senden gleichzeitig -> Sendevorgang wird unterbrochen/ nach

gewisser Zeit wiederholt.

Iot-Bus Projekt:

sichere/zuverlässige Übertragung von Messwerten/Steuerungsbefehlen

mit IPv6 + Sicherheitskonzept auf Basis IEEE Standards 802.15.4

 

 

Ring-Topologie

- alle Stationen sind mittels eines durchgehenden Ringes miteinander verbunden.

- Keine zentrale SteuerungsKomponente.

- Ausfall Station -> Ausfall des ges. Rings. Z.B

(Automatisierungstechnik: nicht intelligente Komponente/Maschinen über Schnittstellen

netzwerkfähig machen)

Stern Topologie

  • alle Stationen sind über eine zentrale Station miteinander verbunden
  • Zentrale Station hat eigene Leitung, den Switch ( intelligentes Netzkoppelelement, dasNetzwerksegmente miteinander verbindet und Steuerung ssowie Kontrollfunktionen übernimmt.-> fällt es aus , Ausfall Gesamtnetz) z.B. (Büro)

  • Wartung an einzelnen Stationen hat keinen Einfluss auf die Verfügbarkeit

Vermaschte Topologie

Alle Netzwerkstationen sind mit mindestens zwei Verbindungen zu einer benachbarten Station verbunden. z.b (Internet,Smartphone,Zigbee)

- Sehr ausfallsicher

- Internet basiert auf einer vermaschten Topologie

teilvermaschte Topologie:

Sind Netzwerke lediglich über eine, nicht mit einer benachbarten Station verbunden

Netzwerkprotokolle

Kommunikationsprotokolle mit deren Hilfe Computer in einem Netzwerk miteinander Daten austauschen. 

Regeln werden durch Netzwerkprotokoll definiert. 

Aufbau TCP/IP Modell

IP

IP = Internet Protocoll

Adressierung von Computern (Schicht 2, Internetschicht)

IPv4 Adresse

Diese besteht aus einer Netz ID und einer Host ID

 

TCP

Verbindungsorientiertes Protokoll für Verbindungsmanagement und Fehlerbehandlung 

Schicht 3, Transportschicht

Three-way handshake zum Verbindungsaufbau:

  1. Client schickt Syn-Paket zum Server um Verbindungswunsch anzuzeigen
  2. Server bestätigt Syn-Ack (Acknowledge-Paket)
  3. Client bestätigt Ack-Paket

IPv6

128Bit (340 Sextillionen) verfügt über IPsec-Protocoll

IPSec: Protokollfamilie, die direkt in IPv6 integriert ist und eine Ende-zu- Ende-Verschlüsselung des kompletten Datenstroms ermöglicht.

 

802.15.4 IEEE Standart

  • Übertragungsprotokoll für Wireless Personal Area Networks (WPAN) mit einem sehr geringen Energiebedarf

  • Z.B. intelligente Ausweisdokumente, ZigBee, 1+2 ISO/OSI Schicht

ZigBee

ein Funkstandard zur Anbindung von Geräten in der Hausautomation

(Öffnungsmelder, Thermostate etc.). ZigBee  zeichnet sich durch geringen

Energieverbrauch und einfache Konfiguration aus

raktische Implementierung des IEEE-Standards 802.15.4.

Stellt Funktionalitäten zum Routing und für Verschlüsselung von Datenpaketen zur

Verfügung.

z.B. Industrie-und Automatisierungstechnik(Anlagensteuerung), Medizin,

Heimautomation, Gebäudesteuerung.

 

Produkte der Hersteller Osram (Lightify) oder Philips (Hue) über ZigBee zur Steuerung der

Beleuchtung im intelligenten Zuhause.

 

Vorteil: geringe Leistungsaufnahme -> Batteriebetrieb über Jahre

6LoWPAN

(IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks)

beschreibt, wie IPv6 über IEEE- 802.15.4-Verbindungen genutzt werden kann. Idee: auch Geräte ohnehohe Rechenleistung oder große Energiereserven in das Internet of Things zu integrieren.

Anbindung an andere Netzwerke über WLAN, Netzwerkkabel, GSM (Global System forMobile Communications

 

RFID (Radio-Frequenzy Identification)

  • Information auf Transponder gespeichert.
  • Mithilfe Lesegerät ausgelesen. Z.B. auf Flughäfen zur Nachverfolgung von Gepäck.
  • Vorteile: keine Sichtverbindung, gleichzeitig mehrere Transponder lesbar, egal ob Schmutz, Hitze

 

Arten:

• passive Transponder (nutzen Feldenergie des Lesegerätes für internen Mikrochipund das Senden von Daten);

• semi-aktive   Transponder (verfügen über eine interne Batterie für den Mikrochip und

nutzen Feldenergie des Lesegerätes zum Senden von Daten);

• aktiveTransponder (nutzen eine interne Batterie für den Mikrochip und das Senden von Daten).

Besteht aus: 1) PC, 2)RFID-Lesegerät mit Kopplungseinheit 3) Transponder(n)

NFC (Near Field Communication)

  • Induktive Kopplung, kontaktlos
  • benötigt sehr wenig Energie
  • Aktives Gerät erzeugt Magnetfeld, passives Gerät ist Transponder
  •  z.b bargeldloses Zahlen

QR-Codes (Quick Response)

  • zweidimensionaler Barcode
  • sicherheitsrisiko

Bluetooth LE (Low Energy) / Bluetooth Smart

stromsparendes Bluetooth. Kann über 6LoWPAN Bluetooth LE-Geräte über eindeutige IPv6 Adresse ereichbar.

z.B. Patientendatenüberwachung, Sensordaten in der Produktionstechnik

Vorteil: gerine Leistungsaufnahme, AES Verschlüsselung (Advanced Encryption

Standard) ist ein frei verfügbares, symmetrisches Verschlüsselungsverfahren. Der gleiche

Schlüssel wird zum Ver- und Entschlüsseln benutzt.)

Linked Data

Ansammlung von in unterschiedlichster Weise miteinander in Beziehung

stehenden, verknüpften Datensätzen im Web.

RDF ( Resource Description Framework):

Datenmodell, das auf einer graphenorienterten Datenbank basiert und inhaltliche Metadaten dartstellt. Besteht aus einer Ressource, die Beziehungen zu anderen Ressourcen hat. 

 

RDF Statement 

Besteht aus RDF-Tripple:

  • Subjekt
  • Prädikat
  • Objekt

Semantic Reasoner

Software bezieht Wissen aus einer Knowledge Base (KB) ---->prüft Konsistenz

Hier sind allgemeine Aussagen über Klassen und Aussagen über individuelle Instanzen dieser Klassen gespeichert. Z.B. -> Onlinebuchung eines Mietwagens (gültiger Führerschein, gewünschtes KFZ, Abhol- und Rücknahmeort, Ausstattungsmerkmale etc.

 

CEP (Complex Event Processing)

Analysiert dynamische Datenströme aus heterogenen Quellen in Echtzeit (sogenannte Live-Daten)

Anwendung: 

  • Finanzmärkte (Analyse von Kurswerten)
  • Sensornetze (zb. Materialflüsse mitteks RFID Etiketten)
  • Dienstleistung im Handel ( Überwachung im Wareneingang und Warenausgang)

 

kernkompenente eines CEP-Systems

Ist der sogennante EPA (Event Processing Agent), besteht aus:

  • Ereignismodell (definiert Ereignistypen, Attribute und Abhängigkeiten);

  • Ereignisregeln (Verarbeitung der Ereignisse mittels EPL);

  • Event Processing Engine (Komponente zur Mustererkennung in Ereignisströmen)

EDA (Event-Driven-Architecture)

Framework in das ein Event Processing Agent (EPA) eingebette ist. Besteht aus:

  • Ereignisquellen (alle Objekte, die Ereignisse generieren wie z. B. RFID-Sensoren oder SCADA-Systeme, die Temperaturen oder Schaltzyklen kontrollieren);
  • Ereignisverarbeitung (CEP-System, bestehend aus einem oder mehreren EPAs, die Datenströme auf relevante Ereignismuster analysieren);
  • Ereignisbehandlung (Auslösen eines Ereignisses bei Mustererkennung in nachgelagerten Systemen, wie z. B. Versand einer E-Mail oder Aktualisierung einer Kennzahl in einem Dashboard).

Anforderung an CEP - Systeme

  • flexible Integration
  • hohe skalierbarkeit
  • hohe Verfügbarkeit

noSQL-Datenbanksystem:

speichern Daten ohne festes Schema. Somit Zugriff auf Daten deutlich performanter.

NoSQL benuzten BASE-Modell zur Konsistenzprüfung

 MapReduce

Bei MapReduce handelt es sich um ein von Google entwickeltes Verfahren, mit dem sich große strukturierte oder unstrukturierte Datenmengen mit hoher Geschwindigkeit verarbeiten lassen. 

Étudier