Das Internet Dinge

By | 1. Juli 2020

Geschichtliche Entwicklung

Der Wunsch schnell und zuverlässig Date zwischen verschiedenen Computersystemen auszutauschen, besteht fast seit es die ersten Computer gibt und reicht zurück bis in die 1950er Jahre. Die ersten Vorläufer vom heutigen Internet entstanden in amerikanischen Forschungszentren, massgeblich durch das Department of Definese (DoD) finanziert. So wurden Schritt für Schritt die erforderlichen Technologien entwickelt, um die Computersysteme verschiedener Forschungsinstitute zu vernetzen. So entstanden die Vorläufer des heutigen Internets.

Diese waren in den  ersten Jahren natürlich sehr stark von militärischen Sicherheitsinteressen dominiert. Doch mehr und  mehr entwickelten sie sich zu einem offenen Forschungsnetzwerk, in dem Universitäten auf der ganzen Welt ihre Forschungsergebnisse austauschten. In den späten 1970er Jahren kamen immer weitere Nutzer hinzu und der Wunsch nach einem offenen und freien Internet kam auf und wurde Gegenstand verschiedener Entwicklungs- und Standardisierungsarbeiten.

Vor allem wurde an einem einheitlichen Kommunikationsprotokoll gearbeitet. So entstand das Internetprotokoll TCP/IP, das bis heute die Basis des Internets darstellt. Dabei handelt es sich um ein Kommunikationsprotokoll, das einen Kommunikationsablauf in vier funktionale Schichten unterteilt. Diese vier Schichten sind hierarchisch angeordnet, wobei jede Schicht eine klare Aufgabe erfüllt und sich nicht darum kümmert, was in den anderen Schichten geschieht. Wichtig ist nur, dass eine untergeordnete Schicht das tut, was von der übergeordneten Schicht verlangt wird. Die Schichten des TCP/IP Protokolls sind:

  • Die Anwendungsschicht (Application Layer) umfasst alle Protokolle, die mit Anwendungsprogrammen zusammenarbeiten und die Netzwerkinfrastruktur für den Austausch anwendungsspezifischer Daten nutzen.
  • Die Transportschicht (Transport Layer) ermöglicht eine Ende-zu-Ende-Kommunikation. Das wichtigste Protokoll dieser Schicht ist das Transmission Control Protocol (TCP), das Verbindungen zwischen jeweils zwei Netzwerkteilnehmern zum zuverlässigen Versenden von Datenströmen herstellt.
  • Die Internetschicht (nternet Layer) ist für die Weitervermittlung von Paketen und die Wegewahl (Routing) zuständig. Auf dieser Schicht und den darunter liegenden Schichten werden Direktverbindungen betrachtet. Die Aufgabe dieser Schicht ist es, zu einem empfangenen Paket das nächste Zwischenziel zu ermitteln und das Paket dorthin weiterzuleiten. Kern dieser Schicht ist das Internet Protocol (IP).
  • Die Netzzugangsschicht (Link Layer) ist im TCP/IP-Referenzmodell spezifiziert, enthält jedoch keine Protokolle der TCP/IP-Familie. Sie ist vielmehr als Platzhalter für verschiedene Techniken zur Datenübertragung von Punkt zu Punkt zu verstehen.

Für die Übertragung von Daten werden die vier Schichten nacheinander von oben nach unten durchlaufen, indem die zu übertragenden Daten von Schicht zu Schicht weitergereicht werden.

TCP/IP stand lange Zeit in Konkurrenz zu Protokollen wie IPX/SPX (Novell), AppleTalk (Apple) oder NetBEUI (Microsoft Windows). Es ist eines der ersten Netzwerkprotokolle (und das einzig erfolgreiche), das universell und unabhängig für alle gängigen Betriebssysteme und nahezu jede denkbare Vernetzung zur Verfügung steht. Ab dem Jahr 1983 wurde TCP/IP als das Standardprotokoll festgelegt und löste damit nach und nach alle bisherigen Protokolle ab.

Von zentraler Bedeutung bei der Kommunikation in einem Netzwerk ist die Adressierung der einzelnen Teilnehmer. Diese erfolgt durch das IP-Protokoll in der Internetschicht des TC/IP Protokolls, das die Netzwerk-Adressen definiert. Eine IP-Adresse besteht üblicherweise aus vier Zahlen-Blöcken die durch einen Punkt getrennt werden ( z.B. 207.142.131.235.) Jeder Block repräsentiert bis zur Version 4 (IPv4) einen Wertebereich von 0 bis 255 (8 Bit).

Am Anfang der 1990er-Jahre war erkennbar, dass die IP-Adressen bald knapp würden. Dies führte zur Entwicklung eines neuen Standard, der als IPv6 bezeichnet wurde. Am 3. Februar 2011 vergab die Internet Assigned Numbers Authority (IANA) die letzten IPv4-Adressen. Mit der IP-Protokoll Version IPv6 ist es nun möglich, 128 Bit Blöcke zur Speicherung von Adressen zu verwenden. Damit stehen weit mehr Adressen zur Verfügung. Es sind ungefähr 3,4 \cdot 10^{38} Adressen darstellbar. Diese Anzahl reicht aus, um beispielsweise für jeden Quadratmillimeter der Erdoberfläche mindestens 665.570.793.348.866.944 = 6,65 \cdot 10^{17} IP-Adressen bereitzustellen. Mit anderen Worten, stehen damit vorläufig ausreichend Adressen zur Verfügung, um alle Computer, Tablett-PC, Handys und vielen weiteren Dingen eine eindeutige Adresse zu vergeben.

Die Möglichkeit jedem Objekt in unserer Welt nun einen eindeutige IP-Adresse zu zuweisen und infolge der Microtechnologie, auch mechanischen Objekten die Möglichkeit zu geben, Daten mit anderen Objekten auszutauschen, entsteht ein neues Internet, das Internet der Dinge.

Das Internet der Dinge

Das Internet der Dinge bezeichnet die Verknüpfung eindeutig identifizierbarer physischer Objekte (things) mit einer virtuellen Repräsentation in einer Internet-ähnlichen Struktur. Es besteht nicht mehr nur aus menschlichen Teilnehmern, sondern auch aus Dingen. Der Begriff geht zurück auf Kevin Ashton, der erstmals 1999 „Internet of Things“ verwendet hat.

Ashton der Mitgründer und damalige Leiter des Auto-ID Center am MIT, verwendete in einem Vortrag als Erster die Formulierung „Internet of Things“. Nach seiner Vision sollten Computer fähig sein, unabhängig vom Menschen Informationen beschaffen zu können. Computer müssten die reale Welt begreifen – ohne von Menschen bedient zu werden. Sodann würden uns viele Verluste und Kosten erspart bleiben. Denn menschliche Kapazitäten seien begrenzt: Wir hätten nur begrenzt Zeit und arbeiteten zu ungenau.

Zur damaligen Zeit war es eine Vision, heute über ein Jahrzehnt später, haben wir die technischen Voraussetzungen um Dinge ins Internet zu bringen, nun gilt es diese Grundidee auf möglichst viele Objekte und Alltagsgegenstände auszuweiten und sinnvolle Anwendungen zu gestalten.

Gegenüber den dedizierten Netzwerken der Automationstechnik, welche sich an der für die Lösung der Aufgabe minimalen Ausrüstung orientiert verfolgt das Konzept des Internets der Dinge den Ansatz, Information so breit wie möglich zur Verfügung zu stellen, damit die Nutzung dieser Information auch für Lösungen jenseits der heute definierten Zielsetzung möglich wird.

Das Internet der Dinge unterscheidet sich vom Konzept der Selbstorganisation. Selbststeuernde Objekte benötigen nicht zwangsläufig Internet-ähnliche vernetzte Strukturen. Dennoch lassen sich Synergien herstellen, so dass zumindest in der Forschung beide Konzepte gerne verknüpft werden.

Bedeutung für die Industrie

Die Facetten dieses Mega-Trends hat die CeBIT 2014 eindrucksvoll gezeigt. Sie hinterlässt nachhallende Visionen von einer digitalen vernetzten Zukunft und bahnbrechenden Geschäftsmodellen in den Köpfen ihrer Besucher. Leider fehlen in vielen Bereichen noch konkrete Implementierungen und leider auch durchdachte Konzepte. Beispielsweise im Bereich der Fabrik-Automatisierung wird man aus meiner Sicht, noch einige Zeit warten müssen, bis eine Fabrik selbst entscheidet, welche Produkte sie herstellen möchte.

Unbestritten ist, dass aus der Sicht der produzierenden Industrie das Internet mehr und mehr die bisherigen Abläufe und Prozesse verändert. Bisher konnte man die Welt wie folgt beschreiben: Es gab die Welt der Internet-Macher, das sind Unternehmen wie SAP, IBM, usw. die Ihre Kernkompetenzen im Bereich der Software und des Internets haben, und damit in den vergangenen Jahren gute Geschäfte gemacht haben.

Und es gibt natürlich auch die Welt der Dinge-Macher. Das sind Unternehmen wie Festo und viele andere Mittelständler, die Ihre Kompetenz in der Entwicklung und Produktion von meist mechanischen oder mechatronischen Komponenten haben. Mit deren Hilfe komplexe Automatisierungsanlagen gebaut werden, die heute in allen Fabriken auf der ganzen Welt zum Einsatz kommen.

Zwischen diesen beiden Polen spannt sich nun – beflügelt von den nun zur Verfügung stehenden technischen Möglichkeiten – ein neuer Möglichkeitsraum mit noch nicht vorstellbaren wirtschaftlichen Potentialen und technologischen Möglichkeiten auf. Das Internet der Dinge.

IoT

Die Fraktion Internet-Macher ist natürlich überzeugt, dass ihnen die Führungsrolle bei der Erschliessung dieser Potentiale zusteht. Da sie aufgrund der Nähe zum Internet als erste diesen entstehenden Möglichkeitsraum erkannt haben. Es hat sich aber bereits heute gezeigt, dass es nicht ausreicht, jedem Objekt aus der realen Welt eine IP-Adresse zu vergeben und es mit einer Internet-Schnittstelle auszustatten, die Daten in eine Cloud sendet, um die oben genannten Möglichkeiten in vollem Umfang zu erschliessen. Dazu bedarf es spezieller “Dinge” die Eigenschaften bereitstellen, die ein Wirken im Netzwerk der “Dinge” zulassen und unterstützen.

Aus diesem Grund, wird die Erschliessung des Internet der Dinge aus technischer Sicht ohne eine signifikante Mitwirkung der sogenannten Dinge-Macher nicht möglich sein.

Die sich daraus ergebenden Veränderungen für diese Unternehmen, die heute ihre Kernkompetenzen schwerpunktmässig in der Mechanik haben, ist absehbar: Es wird eine deutliche Stärkung der Software-Kompetenz erforderlich sein, um die technischen Herausforderungen zu meistern.

Digitalisierung bedeutet in diesem Kontext, die Herstellung der erforderlichen IT-Infrastruktur, die erforderlich ist, um die unterschiedlichsten Dinge überhaupt internet-fähig zu machen. Er danach ist es möglich, sich mit zusätzlichen Produktkonzepten und Dienstleistung-Ideen zu befassen. Im Bereich der Industrie-Automatisierung spricht man in diesem Zusammenhang von der 4. Industriellen Revolution.

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Nächste Schritte: Die 4. Industrielle Revolution

Der technologische und wirtschaftliche Möglichkeitsraum des Internets der Dinge wird sich nur dadurch erschliessen lassen, wenn beide Seiten zusammen arbeiten, und es gelingt, eine technologische Plattform zu schaffen, die offen ist und so den Zugang aller Interessierten möglich macht, ihre Vorstellungen und Ideen zu entwickeln und einzubringen.

Dadurch werden, analog zu der Entwicklung wir sie bei der Verschmelzung von Internet und der mobilen Kommunikation zu Smartphones beobachten konnten, Möglichkeitsräume eröffnet werden, die zu Produkten und Dienstleistungen führen werden, die heute noch gar nicht vorstellbar sind.

Wenn die dazu erforderlichen Massnahmen von Personen geleitet und geführt wird, denen nicht nur der schnelle Profit wichtig ist. Sondern auch daran gedacht wird, einen Einklang herzustellen, zwischen dem verständlichen Wunsch nach Wachstum und dem schonenden Umgang mit den wertvollen Ressourcen unserer Erde. Dann werden wir eine Zukunft mit einer Industrie 4.0 und weiteren Entwicklungen in Richtung Industrie 5.0 vor uns haben, für die es sich lohnt, große Anstrengungen auf sich zu nehmen.