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IP-Insider-Basiswissen: Wireless-Protokolle Drahtlose Netzwerke im Überblick

Von Margit Kuther

Im Internet der Dinge (IoT) wird der Datenaustausch zwischen Sensoren, Geräten, Gateways, Servern und Benutzeranwendungen durch verschiedenste Netzwerkprotokolle wie Wi-Fi, Bluetooth und ZigBee ermöglicht. Der Beitrag führt durch den Dschungel der Netzwerkprotokolle.

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Das Internet der Dinge: ohne Übertragungsprotokolle wäre der Datenaustausch zwischen Sensoren, Geräten, Gateways, Servern nicht möglich.
Das Internet der Dinge: ohne Übertragungsprotokolle wäre der Datenaustausch zwischen Sensoren, Geräten, Gateways, Servern nicht möglich.
(Bild: Gerd Altmann, Pixabay)

Die Anforderungen der Endanwendung an Reichweite, Daten, Sicherheit, Leistung und Batterielaufzeit bestimmen die Auswahl des Netzwerkprotokolls. Dieser Beitrag untersucht einige dieser Kommunikationstechnologien und -protokolle. Sie finden den Artikel „Internet of Things Wireless Network Protocols“ samt weiterer informativer Beiträge rund um das Thema Wireless in Farnells kostenfreiem e-TechJournal „Tomorrow’s Wireless Technology Today“.

IoT-Ökosystem

Ein IoT-Ökosystem besteht in der Regel aus Knoten-, Daten-, Konnektivitäts- und Anwendungsschicht. Die Knotenschicht ist ein Zusammenschluss von intelligenten Geräten wie Mikrocontrollern, Mikroprozessoren, Sensoren, Aktoren, Konnektivität und Gateways, die mit einem Netzwerk interagieren. Die Datenschicht betrifft die gesammelten, verarbeiteten, gesendeten, gespeicherten, analysierten, präsentierten und in geschäftlichen Kontexten verwendeten Daten. Die Anwendungs- oder Benutzerschicht ist der Teil, der es dem Menschen ermöglicht, mit IoT-Geräten zu interagieren. Wir werden hier auf die Konnektivitätsschicht eingehen, die aus Kommunikations- und IoT-Protokollen besteht.

IoT-Protokolltypen

Das Internetprotokoll (IP) ist aufgrund seiner Anpassungsfähigkeit und Zuverlässigkeit ein brauchbares Medium für die verfahrenstechnische Übertragung zwischen IoT-Modulen. Die Systemarchitektur (durch die sich die Daten bewegen müssen) bestimmt den IoT-Protokolltyp. Das Open-Systems-Interconnection-Modell (OSI) liefert ein Abbild der verschiedenen Schichten, die Daten senden und empfangen. Jedes Protokoll in der IoT-Systemarchitektur ermöglicht Gerät-zu-Gerät-, Gerät-zu-Gateway-, Gateway-zu-Rechenzentrum-, Gateway-zu-Cloud-Kommunikation und Kommunikation zwischen Rechenzentren. Abbildung 2 der Bildergalerie zeigt den IoT-Protokoll-Stack. Einige der wichtigsten IoT-Protokolle, die in den verschiedenen Schichten des IoT-Netzwerks verwendet werden, sind:

Advanced Message Queuing Protocol (AMQP)

AMQP ist ein Anwendungs(software)-Schichtprotokoll, das Routing und Warteschlangen für eine nachrichtenorientierte Middleware-Umgebung bietet. Es wird für zuverlässige Punkt-zu-Punkt-Verbindungen eingesetzt und unterstützt den nahtlosen und sicheren Datenaustausch zwischen den Geräten und der Cloud. AMQP weist drei verschiedene Teile auf, nämlich Austausch, Nachrichtenwarteschlange und Anbindung. Diese drei Teile sorgen für einen zuverlässigen, erfolgreichen Austausch und eine erfolgreiche Nachrichtenspeicherung. Sie kennzeichnen auch die Beziehung zwischen zwei Nachrichten.

Constrained Application Protocol (CoAP)

Das CoAP ist ein Protokoll mit eingeschränkter Bandbreite und eingeschränktem Netzwerk für eine begrenzte Anzahl von Geräten. Dieses Protokoll ermöglicht es dem Client, eine Anfrage an den Server zu senden, und der Server sendet eine Antwort in HTTP an den Client zurück. Es verwendet das User Datagram Protocol (UDP) für eine leichte Implementierung und minimiert den Platzbedarf. Das Protokoll nutzt das binäre Datenformat EXL. Das CoAP-Protokoll wird in erster Linie in der Automatisierung, bei Mikrocontrollern und Mobilgeräten verwendet. Das Protokoll sendet eine Anfrage an den Endpunkt der Heimanwendung und gibt die Antwort der Anwendung an Dienste und Ressourcen zurück.

Data Distribution Service (DDS)

Der DDS ist ein flexibles Peer-to-Peer-Kommunikationsprotokoll. Er unterstützt alles, von der Ausführung sehr kleiner Geräte bis hin zur Verbindung leistungsstarker Netzwerke. Der DDS optimiert die Bereitstellung, erhöht die Zuverlässigkeit und minimiert die Komplexität.

Message Queue Telemetry Transport (MQTT)

Das MQTT, auch als Subscribe/Publish-Protokoll bekannt, ist ein leichtes Nachrichtenprotokoll und das bevorzugte Protokoll für IoT-Geräte. Es sammelt Daten von verschiedenen Geräten und überwacht Remote-Geräte. Es läuft über das Übertragungssteuerungsprotokoll (TCP) und unterstützt den ereignisgesteuerten Nachrichtenaustausch über drahtlose Netzwerke. Das MQTT wird hauptsächlich in Geräten eingesetzt, die weniger Strom- und Speicherleistung benötigen. Zum Beispiel in Fahrzeugsensoren und Smartwatches.

Maschine-zu-Maschine-Kommunikationsprotokoll (M2M)

Es handelt sich dabei um ein offenes Industrieprotokoll. Das M2M wird erstellt, um IoT-Geräte aus der Ferne zu verwalten. Diese kosteneffizienten Protokolle nutzen öffentliche Netzwerke. Das M2M gestaltet eine Umgebung, in der zwei Maschinen miteinander kommunizieren und Daten austauschen. Ein solches Protokoll stärkt die Maschinen darin, sich selbst zu überwachen, und versetzt die Systeme in die Lage, sich an die sich ändernde Umgebung anzupassen. Es wird hauptsächlich für Smarthomes, Fahrzeuge und Geldautomaten verwendet.

Extensible Messaging and Presence Protocol (XMPP)

Das XMPP hat ein einzigartiges Design. Es wurde mit Open XML (Extensible Markup Language) entwickelt. Es verwendet einen Push-Mechanismus, um synchrone Nachrichten auszutauschen. Das flexible XMPP lässt sich bei Änderungen nahtlos integrieren. Das XMPP fungiert als Präsenzindikator. Es zeigt den Verfügbarkeitsstatus der Server an.

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Neben WhatsApp, Google Talk und anderen Instant-Messaging-Apps findet XMPP auch im Bereich Online-Gaming, Voice-over-Internet-Protocol (VoIP) und News-Websites Anwendung.

Bluetooth

Bluetooth ist weit verbreitet für die Nahbereichskommunikation und ist ein Standard-IoT-Protokoll für die drahtlose Datenübertragung. Die energiesparende Version ist Bluetooth Low Energy (BLE). Die neueste Version, BLE 5.0, unterstützt Anwendungen mit niedriger Datenübertragungsrate und einer größeren Reichweite bis 150 m. Funktionen wie Beaconing und Standortdienste haben dazu beigetragen, es in einer Vielzahl von Fitness- und Kfz-Anwendungen einzusetzen. Es kann eine Sterntopologie unterstützen. Die neuesten Versionen unterstützen die Mesh-Topologie, wobei das Netzwerk per Viele-zu-Viele-Gerätevernetzung ausgedehnt wird, was für Anwendungen der Heimautomatisierung geeignet ist.

ZigBee

ZigBee verwendet die Bitübertragungsschicht und die Verbindungsschicht gemäß IEEE 802.15.4-Standard, arbeitet im 2,4-GHz-ISM-Band und bietet eine Reichweite bis 90 Meter. Es unterstützt die Mesh-Topologie. Somit kann das Netzwerk durch Multi-Hop-Operationen auf eine größere Entfernung ausgedehnt werden. Das Protokoll ist hochgradig interoperabel und umfasst Standardbibliotheken von Datenmodellen, Sicherheits- und Netzwerkmanagementverfahren. ZigBee weist einen niedrigen Stromverbrauch, Knotenerkennung, doppelte Paketerkennung, Routenerkennung und einen Ruhemodus auf und arbeitet zuverlässig. Es wird häufig in Smarthome- und Gebäudeautomationsanwendungen eingesetzt.

Bild 1: Protokollnetzwerk in einem IoT-Ökosystem.
Bild 1: Protokollnetzwerk in einem IoT-Ökosystem.
(Bild: Farnell)

Z-Wave

Z-Wave ist eine energiesparende Wireless-Technologie, die für IoT-Heimautomatisierungsanwendungen entwickelt wurde. Sie bietet eine niedrige Latenz und zuverlässige Kommunikation von kleinen Datenpaketen mit Datenübertragungsgeschwindigkeiten bis 100 kB/s. Sie unterstützt die Mesh-Topologie mit maximal 232 Knoten in einem einzigen Netzwerk. Sie arbeitet mit 868 MHz in der Region Europa und mit 915 MHz in Nordamerika und Australien und bietet eine Datenübertragungsgeschwindigkeit von 100 kB/s.

6LowPAN

IPv6 Low-Power Wireless Personal Area Network (6LowPAN) ist eine internetprotokoll-basierte Technologie. Dabei handelt es sich um ein Netzwerkprotokoll, das Kapselungs- und Header-Kompressionsmechanismen definiert. Es bietet die Freiheit von Frequenzband und Bitübertragungsschicht und kann auch über mehrere Kommunikationsplattformen verwendet werden, einschließlich Ethernet, Wi-Fi, 802.15.4 und Sub-1GHz-ISM. Es wurde entwickelt, um IPv6-Pakete über die IEEE802.15.4-basierten Netzwerke zu versenden und viele offene IP-Standards zu implementieren, einschließlich TCP, WebSockets, UDP, HTTP, COAP und MQTT. Der Standard bietet adressierbare End-to-End-Knoten, die es einem Router ermöglichen, das Netzwerk mit IP zu verbinden. Das 6LowPAN ist ein robustes und skalierbares Mesh-Netzwerk mit selbstheilenden Eigenschaften.

Bild 2: IoT-Protokoll-Stack.
Bild 2: IoT-Protokoll-Stack.
(Bild: Farnell)

Thread

Thread, basierend auf verschiedenen Standards, einschließlich IEEE802.15.4, IPv6 und 6LoWPAN, ist ein neues IPv6-Netzwerkprotokoll, das auf die Heimautomatisierungsumgebung ausgerichtet ist. Es ergänzt in erster Linie das Wi-Fi und bietet eine robuste IP-basierte Lösung für das IoT. Thread verstärkt ein Mesh-Netzwerk unter Verwendung von IEEE802.15.4-Funk-Transceivern. Es verwaltet bis zu 250 Knoten mit einem hohen Maß an Authentifizierung und Verschlüsselung.

Wi-Fi

Wi-Fi ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll. Wi-Fi verwendet die Sternnetzwerktopologie und der Zugangspunkt kann als Gateway zum Internet verwendet werden. Jeder Zugangspunkt kann eine Verbindung zu maximal 250 Geräten herstellen und die meisten kommerziell erhältlichen Lösungen unterstützen bis zu 50 Geräte. Der 802.11-b/g/n-Standard arbeitet mit 2,4 GHz und bietet eine Datenübertragungsgeschwindigkeit von 150-200 MB/s in der Heim- oder Büroumgebung, in der Regel mit einer Reichweite von 50 m. Der neueste 802.11-ac-Standard arbeitet mit 5 GHz und bietet eine Datenübertragungsgeschwindigkeit von 500 MB/s bis 1 GB/s.

Mobilfunk

Viele IoT-Anwendungen nutzen vorhandene Mobilfunk-Netzwerke wie 3G, 4G LTE und 5G für die Datenkommunikation. 3G verwendet 2100 MHz und bietet eine Datenübertragungsgeschwindigkeit von 384 kB/s bis 10 MB/s und 4G LTE liefert eine hohe Datenübertragungsgeschwindigkeit von 3 MB/s bis 10 MB/s bei 2700 MHz. Diese Standards sind aufgrund ihres hohen Stromverbrauchs und der hohen Implementierungskosten für die meisten IoT-Anwendungen ungeeignet. Cat-M1 und NB-IoT wurden im Rahmen des 3rd Generation Partnership Project (3GPP) zur Einführung in bestehende 4G-LTE-Netzwerke für IoT- und M2M-Kommunikation eingeführt.

5G mit einer größeren Kapazität als jedes 4G-Netzwerk wird derzeit entwickelt, um die Nutzung von mobilem Breitband zu erhöhen, und unterstützt die Kommunikation zwischen Geräten. Dazu werden verschiedene Techniken auf 5G angewendet, wie z. B. massive MIMO (Multiple Input Multiple Output), Vollduplex-Kommunikation, heterogene Netzwerke (HetNet), Millimeterwellen (mmWave) und Network Slicing. Die gesamten 5G-Netzwerkdienste lassen sich gemäß der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) in drei verschiedene Kategorien einteilen: erweiterte mobile Breitbanddienste (eMBB), massive maschinelle Kommunikation (mMTC) und äußerst zuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz (uRLLC).

NFC

Nahfeldkommunikation (NFC) ist ein Funkkommunikationsprotokoll mit äußerst kurzer Reichweite. Sie verwendet den ISO/IEC 18000-3-Standard und das 13,56-MHz-ISM-Frequenzband. Sie bietet eine Datenübertragungsgeschwindigkeit von 100 bis 420 kB/s und eine Reichweite von bis zu 20 cm. Einige NFC-Geräte können passive Hochfrequenz-RFID-Tags lesen (gemäß ISO 15693), die auch auf 13,56 MHz funktionieren. NFC bietet Vollduplex-Kommunikation über den Erfassungsbereich von metallischen und nichtmetallischen Substraten. Sie wird für kontaktloses Bezahlen, schnelle Synchronisierung und den Zugriff auf digitale Inhalte verwendet.

Sigfox

Sigfox ist ein privater Netzwerkanbieter, der Telefonie- oder Mobilfunkanbietern ähnelt und sich auf die Betreuung von Kunden im IoT-Bereich konzentriert. Sigfox verwendet Sub-GHz-ISM-Bänder (868 bis 869 MHz oder 902 bis 928 MHz) und unterstützt eine große Reichweite (bis zu 50 km) mit der Sterntopologie. Obwohl die Sigfox-Kommunikation bidirektional ist, sind die Nutzdaten von der Basisstation zum Knoten gering. Die Kommunikation wird für die Fernerkundung verwendet, wo geringe Datenmengen sporadisch mit hohen Anforderungen an die Batteriedauer übertragen werden müssen.

LoRaWAN

LoRaWAN ist ein Wireless-WAN-Kommunikationsprotokoll mit geringer Leistungsaufnahme im Sub-GHz-Frequenzbereich (433/868/915 MHz). Es bietet eine typische Datenübertragungsgeschwindigkeit von 0,3 bis 50 kB/s und kann eine Reichweite bis 15 km abdecken. Die größere Entfernung wird durch dynamische Reduzierung der Datenübertragungsgeschwindigkeiten erreicht. Es wurde entwickelt, um kostengünstige, sichere Vollduplex-Kommunikation für IoT-, M2M-, Smart-City- und industrielle Anwendungen mit geringem Stromverbrauch bereitzustellen.

Dieser Beitrag stammt von unserem Schwesterportal Elektronikpraxis.

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