Demo 1: Internet of Things

Was ist das Internet of Things?

Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) beschreibt den aktuell beobachtbaren Trend, dass physische Objekte unterschiedlichster Art ein virtuelles Abbild im Internet haben und über das Internet miteinander vernetzt sind. IOT Anwendungen Aus technologischer Sicht bezeichnet IoT die Gesamtheit der Basistechnologien, mit deren Hilfe die Vernetzung der physischen Welt mit der virtuellen Welt umgesetzt wird.

IoT-Anwendungen

Das Internet der Dinge hat viele Anwendungen sowohl im gesellschaftlichen Bereich, z.B. in der Paketverfolgung, als auch im wirtschaftlichen Bereich, z.B. bei der vorausschauende Wartung von Produktionsmaschinen (engl. Predictive Maintenance).

Die Paketverfolgung wird dadurch möglich, dass jedes Paket mit einem Scancode versehen ist, der die relevanten Daten eines Pakets enthält, und der zurückgelegte Weg des Pakets vom Absender zum Empfänger über die gesamte Lieferkette auf Computern (Servern) im Internet abgebildet wird.

Predictive Maintenance, also die vorausschauende Wartung, wird dadurch möglich, dass Produktionsmaschinen mit Sensoren ausgestattet sind, die laufend Messdaten an Computer im Internet senden, wo sie mit Algorithmen des maschinellen Lernens ausgewertet werden, um den Zeitpunkt der nächsten Wartung vorherzusagen.

IoT-Technologien

Das Internet of Things (IoT) funktioniert durch das Zusammenspiel neuer Basistechnologien aus Informatik und Ingenieurwissenschaften.

IoT-Basistechnologien sind z.B. WLAN-fähige Mikroprozessoren, die mit Sensoren (Temperatur, Druck, Feuchtigkeit…) und Aktoren ausgestattet sind, Webtechnologien (Webserver, Webanwendungen, mobile Anwendungen, …), Cloud-Plattformen (Amazon AWS, Google Cloud, ...), Datenbankentechnologien (SQL und NoSQL), Datenaustauschformate (XML, JSON) und IT-Sicherheit.

Mikroprozessoren mit Sensoren und Aktoren

Mikrocontroller sind Ein-Chip-Systeme, die aus Prozessor, Speicher und Ein- und Ausgabekomponenten bestehen und in einem physischen Objekt eingebettet sind, das sie steuern. Im Unterschied zu einem Computer ist ein Mikrocontroller für die Erledigung einer speziellen Aufgabe konzipiert, z.B. die Temperaturregelung eines Kühlschranks. Ein WLAN-fähiger und mit Sensoren ausgestatteter Mikrocontroller kann seine Messdaten an einen Computer im Internet senden, der verschiedene Dienste bereithält um die Daten zu speichern und zu verteilen.

Internet-, Web- und Cloudtechnologien

Das Internet ist ein weltweiter Verbund von Rechnernetzwerken, das die Nutzung von Internetdiensten wie WWW (Bereitstellung und Darstellung verlinkter Webseiten) und E-Mail (Nachrichten versenden) ermöglicht. In den ersten Jahren des Internets um 1990 hatte das Internet noch relativ wenig Teilnehmer und es wurden vor allem statische HTML-Webseiten erstellt. Heute hat das Internet Millionen Teilnehmer und wird für wirtschaftliche (E-Commerce, E-Banking, Entertainment), gesellschaftliche (E-Government) und private (soziale Netzwerke) Anwendungen genutzt. Der meistgenutzte Webserver, der seit den Anfängen des Internets für die Bereistellung der Webseiten eingesetzt wird, ist immer noch der Apache-Webserver. Webtechnologien und Webframeworks, mit deren Hilfe dynamische Webseiten erstellt werden, gibt es in einer bunten Vielfalt: (XAMPP-Stack mit Apache, MySQL/MariaDB, PHP, Java-Frameworks wie Apache Wicket), Mobile Frameworks wie JQuery und Bootstrap.

Datenbanksysteme und Big Data

Datenbanksysteme werden verwendet, um strukturierte und langlebige Daten auf eine konsistente Art zu speichern und den gleichzeitigen Zugriff mehrerer Anwender zu ermöglichen. Klassische Datenbanksysteme wie Oracle DBMS, Microsoft SQLServer, MySQL oder MariaDB sind relationale Datenbanken, die die Datenbanksprache SQL einsetzen. Diese Datenbanksysteme sind der Datenspeicher, in dem die sicherheitskritischen Informationen vieler Bankinganwendungen oder betrieblicher Verwaltungssysteme abgelegt sind.
Bei großen Datenmengen, semistrukturierten und flüchtigen Daten stoßen diese Datenbanken jedoch an ihre Grenzen. Hier werden neue Arten von Datenbanksystemen eingesetzt, sogenannte NoSQL-Datenbanken, die die Daten in einem Dateisystem ablegen.
Datenbanken, egal ob klassisch SQL oder alternativ NoSQL, können auf den eigenen Servern oder in der Cloud installiert werden.

IT-Sicherheit

Informationssicherheit vor 25 Jahren bedeutete noch physische Sicherheit durch sicheres Aufbewahrung von Papierdokumenten und administrative Sicherheit durch Zugangskontrollen.
Heute werden Informationen elektronisch erstellt, in der Cloud gespeichert, und mobil abgerufen, wobei die zugrundeliegenden Technologien laufend optimiert und durch neue Funktionalität erweitert werden. Der hohe Grad an Vernetzung ist potentiell unsicher, denn durch die Komplexität entstehen Sicherheitslücken, die ggf. für Bedrohungen der IT-Sicherheit ausgenutzt werden können.
IoT-Anwendungen müssen deswegen Aspekte der IT-Sicherheit berücksichtigen und von Anfang an in ihre Architektur einbauen. Die Präsentation IT-Sicherheit 2019 wurde am Tag des offenen Campus der Hochschule Kaiserslautern präsentiert und zeigt einige aktuelle Entwicklungen der IT-Sicherheit auf.

IoT-Demonstratoren für die Lehre

Da das Internet of Things ein Sammelbegriff für Technologien der Elektrotechnik, Informationstechnik und Informatik ist, stellt sich die Frage, wie man die Idee und die Basistechnologien des IoT an einem intuitiv verständlichen Beispiel illustrieren kann.

Im Studiengang Elektrotechnik an der Hochschule Kaiserslautern wird als einführendes Beispiel der IoT-Demonstrator "Sensordaten" verwendet, der mit einer minimalen Zusammenstellung an Hardware- und Softwarekomponenten einen relevanten Anwendungsfall abbildet.