IoT-Kommunikationsprotokolle dienen als Grundlage für die IoT-Kommunikation von Gerät zu Gerät und von Gerät zu Cloud, indem sie einen gemeinsamen Rahmen für eine nahtlose Interaktion schaffen. Ein robustes Kommunikationsprotokoll kann die IoT-Verwaltung von Grund auf vereinfachen, indem es den Edge-Stage-Betrieb sowie das Geräte- und Flottenmanagement umfasst, wie es bei MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) der Fall ist. Durch die nahtlose Verschmelzung von IIoT und MQTT für den bidirektionalen Datenfluss in der Fertigung können Hersteller ihre Prozesse deutlich verändern, ihre Marktposition stärken und ein noch nie dagewesenes Maß an Effizienz und Produktivität anstreben.
MQTT: Effizienz und Zuverlässigkeit für den IIoT-Datenaustausch
MQTT ist ein schlankes, bidirektionales Messaging-Protokoll, das für Effizienz, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit optimiert ist. Es eignet sich besonders für den Einsatz unter eingeschränkten Bedingungen - einschließlich unzuverlässiger Netzwerkverbindungen, eingeschränkter Bandbreite oder begrenzter Batterieleistung - da sein Design den Protokoll-Overhead minimiert und die Bandbreitennutzung optimiert. Aufgrund seiner Leichtigkeit und Effizienz eignet sich MQTT gut für die Fernüberwachung, insbesondere bei M2M-Verbindungen, da die Menge der zu überwachenden oder zu kontrollierenden Daten erheblich gesteigert werden kann.
MQTT folgt dem Publish-Subscribe-Paradigma: Angeschlossene Geräte, die als Clients bezeichnet werden, können Themen entweder veröffentlichen oder abonnieren, was einen effizienten Datenaustausch ohne direkte Client-to-Client-Kommunikation ermöglicht. Es ist der MQTT-Broker, der Nachrichten empfängt und weiterleitet, als zentraler Knotenpunkt fungiert und den Kommunikationsfluss verwaltet. Da es sich um ein ereignisgesteuertes Protokoll handelt, veröffentlichen Clients nur dann, wenn es notwendig ist, und Broker senden nur dann an Abonnenten, wenn neue Daten eintreffen, wodurch der Netzwerkverkehr und der Ressourcenverbrauch minimiert werden. Die Entkopplung von Publishern und Subscribern sowie die Möglichkeit, Sitzungsinformationen bei vorübergehenden Verbindungsunterbrechungen aufrechtzuerhalten, gewährleisten den Kommunikationsfluss auch bei unzuverlässigen Netzverbindungen.
Trotz seiner Leichtigkeit bietet MQTT auch einen Mechanismus zur Gewährleistung der Nachrichtenübermittlung. Clients können verschiedene Quality of Service (QoS)-Stufen konfigurieren, um verschiedene Anforderungen an die Nachrichtenübermittlung zu erfüllen und sich an die Zuverlässigkeit des Netzes und die Anforderungen der Anwendung anzupassen. Aus diesem Grund findet es auch in komplexen Szenarien Anwendung, in denen Echtzeitkommunikation und Datenintegrität von größter Bedeutung sind.
Diese Eigenschaften machen MQTT zu einem besonders geeigneten Protokoll für IIoT-Infrastrukturen. MQTT ermöglicht die mühelose Übertragung von Daten zu und von einer Vielzahl von verteilten Fabrikmaschinen, Systemen und Anwendungen im gesamten Unternehmen und ermöglicht Echtzeitüberwachung, -analyse und -steuerung. Darüber hinaus ist MQTT skalierbar: Egal, ob ein Einsatz einige wenige Sensoren oder Tausende von Geräten umfasst, MQTT kann die Skalierungsanforderungen ohne Leistungseinbußen erfüllen. Die konfigurierbaren QoS-Stufen eignen sich auch besonders für IIoT-Anwendungsfälle, die eine Kommunikation mit geringer Latenz und Datenintegrität für die Überwachung und Steuerung in Echtzeit erfordern. Die Wahl der QoS-Stufe kann von den spezifischen Zuverlässigkeits- und Echtzeitbeschränkungen der Anwendungen abhängen. Für die Überwachung und Meldung unkritischer Sensordaten kann beispielsweise QoS 0 verwendet werden, d. h. es wird kein Mechanismus bereitgestellt, der sicherstellt, dass die Nachricht erfolgreich zugestellt wurde, während geschäftskritische Anwendungen auf QoS 2 angewiesen sein können, der garantiert, dass eine Nachricht genau einmal zugestellt wird, um eine präzise und zuverlässige Steuerung zu gewährleisten.
Verstärkung von IIoT-Infrastrukturen mit MQTT-Sicherheit
Da IIoT-Anwendungen immer größer und komplexer werden, tragen die nativen Sicherheitsfunktionen des MQTT-Protokolls dazu bei, es zu einer idealen Methode zu machen, um Daten durch die Schichten jeder IIoT-Implementierung zu bewegen und Systeme vor potenziellen Bedrohungen und Angriffen zu schützen.
Wenn es um MQTT-Sicherheit geht, sind drei Konzepte grundlegend: Authentifizierung, Verschlüsselung und Autorisierung.
- Client-Authentifizierung: MQTT verwendet die Client-Authentifizierung, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Clients Verbindungen mit dem Broker herstellen können. Die Passwort-Authentifizierung ist die gängigste Methode, bei der ein MQTT-Client während des Verbindungsvorgangs einen Benutzernamen und ein Passwort angibt. Der Broker vergleicht diese Anmeldedaten mit den gespeicherten Daten und verweigert den Zugriff, wenn es keine Übereinstimmung gibt.
- Datenverschlüsselung: MQTT kann so konfiguriert werden, dass es Transport Layer Security (TLS) oder Secure Sockets Layer (SSL) verwendet, um Daten während der Übertragung zu verschlüsseln. TLS/SSL stellt sicher, dass die Daten während der Übertragung vor Abhören und Manipulationen geschützt sind.
- Berechtigungskontrollen: MQTT-Broker bieten eine granulare Zugriffskontrolle durch Zugriffskontrolllisten (ACLs) und benutzerdefinierte Autorisierungsregeln. Diese Mechanismen legen fest, welche authentifizierten Clients bestimmte Themen veröffentlichen oder abonnieren können, um sicherzustellen, dass Daten nur mit autorisierten Parteien geteilt werden.
Um ein Höchstmaß an Sicherheit zu gewährleisten, ist es wichtig, dass MQTT-Broker und -Clients auch richtig konfiguriert sind. Dazu gehören die Sicherung der Verwaltungsschnittstellen und die Aktualisierung der Brokersoftware und der Firmware auf IoT-Geräten mit Sicherheits-Patches und Updates zur Behebung bekannter Schwachstellen. Umfassende Sicherheitsmaßnahmen sollten sich auch auf das gesamte IoT-System erstrecken, z. B. die Implementierung von Firewalls und Netzwerksegmentierung, um potenzielle Angriffspunkte zu minimieren. Dieser End-to-End-Ansatz gewährleistet, dass die Daten auf ihrem gesamten Weg geschützt bleiben, vom Gerät am Rand bis zu den Cloud-basierten Anwendungen, die sie verarbeiten.
Modernisierung der Fertigungsindustrie mit MQTT
Ursprünglich für den industriellen Einsatz in der Öl- und Gasindustrie entwickelt, findet MQTT heute in einer Vielzahl von kommerziellen und industriellen Anwendungsfällen Anwendung. MQTT kommt immer dann zum Einsatz, wenn die Netzwerkstabilität ungewiss ist, die Notwendigkeit besteht, Bandbreite zu sparen, Hardware mit geringer Leistung verwendet wird oder eine Netzwerkarchitektur mehrere Client-Geräte umfasst, die nahezu in Echtzeit auf dieselben Daten zugreifen müssen.
Aufgrund der vielen Vorteile, die es gegenüber konkurrierenden Netzwerkprotokollen bietet, hat es sich in der Fertigung schnell zum Protokoll der Wahl entwickelt. MQTT erleichtert den Zugriff auf Daten und lässt sich mit ML- und KI-Anwendungen kombinieren, so dass Unternehmen neue Werte aus den Daten ihrer Anlagen und Prozesse gewinnen können, um ihre Geschäftsziele zu erreichen. Im Folgenden werden einige der wichtigsten Überlegungen im Zusammenhang mit MQTT aufgeführt, die für die Umsetzung einer IIoT-Strategie von Unternehmen entscheidend sind.
- Interoperabilität - Da MQTT ein offener Standard ist, kann es mit verschiedenen Software- und Hardwarelösungen zusammenarbeiten und Geräte und Systeme unterschiedlicher Hersteller und Technologien miteinander verbinden. Vor allem aber ist MQTT unabhängig von Datentypen und kann ein breites Spektrum an Daten verarbeiten, darunter Maschinen- und Prozessdaten, Wartungsprotokolle und andere Informationen, die jeweils in ihrer eigenen Sprache kodiert sind und mit unterschiedlichen Raten eingehen. Dies fördert die Interoperabilität in komplexen Industriekonfigurationen, unterstützt die nahtlose Kommunikation zwischen verschiedenen Produktionsanlagen und Anwendungen und bietet eine unternehmensweite Lösungsarchitektur.
- Skalierung des Flusses von Fertigungsdaten - Das Publish-Subscribe-Modell von MQTT lässt sich nahtlos skalieren, wenn die Anzahl der IIoT-Geräte und Datenquellen wächst, und bietet Mechanismen für die Verarbeitung großer Datenmengen und die zuverlässige Zustellung von Nachrichten. Dies stellt einerseits die Funktionsfähigkeit des Protokolls bei wachsender IoT-Infrastruktur sicher, andererseits ermöglicht es fortschrittliche Algorithmen zur Messung von Ausfallzeiten, die große Datenmengen benötigen, um Maschinenausfallzeiten genau zu verfolgen und zu reduzieren.
- Datenanalyse in Echtzeit - Um die Effektivität der Infrastrukturüberwachung zu gewährleisten, müssen die Daten in Echtzeit erfasst und analysiert werden. Ohne Echtzeit-Inputs könnte die Ausgabe des Überwachungsalgorithmus durch veraltete Daten beeinflusst werden, was zu falschen Entscheidungen führen könnte. Die MQTT-Architektur ermöglicht eine unbegrenzte Anzahl von Clients über ein Publish/Subscribe-Protokoll, was bedeutet, dass die von einer Produktionsanlage veröffentlichten Daten von mehreren Anwendungen gleichzeitig genutzt werden können. Ein solcher zeitnaher Informationsaustausch ist entscheidend für die Einspeisung von Daten in Echtzeit-Analyse- und Entscheidungsunterstützungssysteme, die die Säulen der vorausschauenden Wartung von Produktionsmaschinen, der Qualitätskontrolle und der Prozessoptimierung sind.
- Fernwartung und Fernsteuerung von Maschinen - die Datenaggregationsfunktionen von MQTT ermöglichen das Sammeln von Daten aus verschiedenen Quellen und deren Weiterleitung an zentrale Systeme zur Anreicherung und Analyse. Da es sich um ein bidirektionales Protokoll handelt, können die Daten auch den umgekehrten Weg nehmen. Dies ermöglicht die Fernsteuerung von Maschinen durch die Übertragung von Steuerbefehlen von einem zentralen Kontrollzentrum an Maschinen im Feld. Anlagenbetreiber können MQTT verwenden, um Steuerbefehle für bestimmte Maschinenthemen zu veröffentlichen und so Aktionen oder Anpassungen auszulösen. Diese Befehle können das Starten oder Stoppen von Geräten, die Anpassung von Betriebsparametern oder die Implementierung von Sicherheitsprotokollen umfassen. Die Fähigkeit von MQTT-Brokern, historische Daten aufzubewahren, erleichtert auch Trendanalysen, Compliance-Berichte und forensische Untersuchungen und entspricht damit den Anforderungen von Branchen, die langfristige Dateneinblicke benötigen.
- Sichere Datenübertragung in der Fabrik - Die Hauptsorge der meisten Hersteller, die die Einführung eines Edge- oder Cloud-basierten IoT-Stacks in Erwägung ziehen, gilt den Sicherheits- und Datenschutzrisiken. MQTT unterstützt robuste Sicherheitsmechanismen, einschließlich TLS/SSL-Verschlüsselung und Authentifizierung, um Daten während der Übertragung zu schützen und unbefugten Zugriff zu verhindern. Diese Sicherheitsfunktionen sind für den Schutz sensibler Daten in IIoT-Implementierungen in Unternehmen unerlässlich.
Beginnen Sie mit dem erweiterten Infrastrukturmanagement mit Clea
Das MQTT-Protokoll wird für die Kommunikation zwischen Fabriken und der Cloud immer beliebter, da es leichtgewichtig ist und umfangreiche Funktionen in Bezug auf Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit bietet. IIoT- und MQTT-fähiges Fabrikmanagement hilft dabei, ungeplante Ausfallzeiten zu reduzieren und die Fertigungskapazitäten und -effizienz des Unternehmens zu steigern.
Die Clea-Software-Suite von SECO ist einzigartig positioniert, um eine solide Lösung für die Modernisierung der Fertigungsinfrastruktur mit einem umfassenden Satz von Tools einschließlich des MQTT-Protokolls zu bieten. Der modulare Software-Stack von Clea fungiert als digitales Gegenstück zu Edge-Geräten, die über die gesamte Industrieanlage verteilt sind, und bietet standardisierte, einsatzbereite Plattformen und Infrastrukturen für Aufgaben von der Felddatenanalyse und -optimierung bis hin zum Flotten- und Gerätemanagement. Clea verwendet MQTT als Kernkomponente für die Kommunikation von Gerät zu Gerät und von Gerät zu Cloud. Dadurch wird sichergestellt, dass Felddaten in Cloud-Datenbanken, Analyseplattformen oder anderen Cloud-basierten Anwendungen für die Verarbeitung in Echtzeit und die Entscheidungsfindung in geeigneter Weise aufgenommen werden.
Astarte, das im Clea-Software-Stack enthaltene Modul zur Datenorchestrierung, verwendet das MQTT-Protokoll, um mit Feldgeräten zu kommunizieren und sie mit der Cloud zu verbinden. Diese Implementierung basiert auf einem Broker, der ein MQTT-Protokoll bereitstellt, das auf der MQTT v3.1.1-Spezifikation, BSON (Binary JSON, Version 1.1) serialisierten Payloads und optionalem zlib deflate basiert. Der Broker ist für den Empfang, die Verarbeitung und das Routing von MQTT-Nachrichten zwischen IoT-Geräten und dem Cloud-Service zuständig. Durch die Nutzung der MQTT-Technologie kann Astarte mit einer unendlichen Anzahl von Geräten verbunden werden, um Daten direkt vom Netzwerkrand zu senden und zu empfangen und sie zur weiteren Analyse in die Cloud zu übertragen. Über die MQTT-Funktionen hinaus ist Astarte das Werkzeug, um das Potenzial von IoT-Daten durch umfassende Datenorchestrierung, automatisierte Aktionen, optimierte Datenverarbeitung über Pipelines und nahtlose Integration mit Systemen von Drittanbietern über umfassende APIs zu entfesseln.
Zusätzlich zu Astarte umfasst der modulare, quelloffene und produktionsreife Software-Stack von Clea den Edgehog Device Manager und das Portal-Frontend-Framework. Diese einsatzbereiten Plattformen arbeiten nahtlos zusammen und bewältigen Aufgaben von der Felddatenanalyse und -optimierung über das Flotten- und Gerätemanagement bis hin zur Visualisierung mit mehreren Mandanten, sind aber auch als Einzellösungen erhältlich, je nach Bedarf und Anwendungsfall des Kunden.
Indem Clea die Intelligenz näher an die Datenquelle bringt, ermöglicht es Unternehmen ein fortschrittliches Management von Anlagen und Industriemaschinen. Die Gewinnung neuer Werte aus Produktionsdaten führt zu einer Maximierung der Prozesseffizienz und einer Verkürzung der Markteinführungszeit. Wenden Sie sich noch heute an unser Expertenteam, um zu erfahren, wie Sie mit Hilfe Ihrer Daten und Clea das Beste aus Ihrer IoT-Infrastruktur herausholen können.
