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Internet der Dinge
Das Internet der Dinge (IdD) (auch: „Allesnetz“; englisch Internet of Things, Kurzform: IoT) ist ein Sammelbegriff für Technologien einer globalen …
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Grundidee und Ziel
Das Internet der Dinge, kurz IdD oder englisch Internet of Things (IoT), ist ein Sammelbegriff für Technologien, die physische und virtuelle Objekte in einer globalen Infrastruktur miteinander vernetzen. Dadurch können Dinge über Informations- und Kommunikationstechniken mit Menschen, mit elektronischen Systemen und untereinander zusammenarbeiten. Gemeint sind nicht nur Menschen als Teilnehmer eines Netzes, sondern auch eindeutig identifizierbare physische Objekte, die eine virtuelle Repräsentation in einer internetähnlichen Struktur besitzen.
Ein zentrales Ziel ist es, automatisch relevante Informationen aus der realen Welt zu erfassen, zu verknüpfen und im Netzwerk verfügbar zu machen. Hintergrund ist eine sogenannte Informationslücke: Dinge in der realen Welt haben Zustände, etwa „Luft ist kalt“ oder „Druckertoner ist voll“, aber diese Zustandsinformationen stehen im Netzwerk zunächst nicht bereit. IoT-Technologien sollen diese Informationen verfügbar machen, damit sie weiterverarbeitet werden können.
Solche Zustandsinformationen können die aktuelle Nutzung, Alterung oder besondere Umweltbedingungen eines Geräts oder Ortes betreffen. Sie können helfen, Wartung oder Austausch frühzeitig zu erkennen, oder eine Umgebung besser zu steuern. In einem Smart Home kann die Heizung oder Kühlung zum Beispiel nicht nur auf einen einzelnen Sensor reagieren, sondern auf viele Informationen im Raum oder sogar auf die Wettervorhersage. Ein weiteres Beispiel ist ein intelligentes Stromnetz, das den Strombedarf für das Laden von Elektrofahrzeugen mit der aktuellen und vorhergesagten Erzeugung von Wind- und Solarenergie abstimmt.
Wichtige Schritte zu diesem Ziel sind die Standardisierung von Komponenten und Diensten, eine einfache, sichere und allgemeine Netzwerkanbindung für Geräte mit Mikrocontroller, geringere Kosten für integrierte Teilnehmer sowie die Entwicklung kostengünstiger, automatisierter bis autonomer digitaler Dienste im Netzwerk.
Abgrenzung und technische Grundlagen
Das Internet der Dinge überschneidet sich mit Begriffen und Forschungsfeldern wie Ubiquitous Computing, Pervasive Computing, Industrie 4.0, cyber-physischen Systemen, eingebetteten Systemen, Web2.0-Anwendungen, dem Internet der Menschen sowie Intranet oder Extranet der Dinge. Ubiquitous Computing beschreibt die Vision, dass mit Sensoren ausgestattete Objekte unauffällig in die Umgebung integriert sind. Das Internet der Dinge unterscheidet sich außerdem von der Selbststeuerung logistischer Prozesse: Selbststeuernde Objekte brauchen nicht zwingend internetähnliche vernetzte Strukturen, auch wenn beide Konzepte in der Forschung oft verbunden werden.
Technisch genügt für manche Anwendungen eine eindeutige Identifikation, zum Beispiel durch RFID oder QR-Code. RFID ist eine Technik zur automatischen Identifikation per Funk. So kann ein zentrales System Daten für Nutzer bereitstellen, etwa bei der Paketverfolgung. Wenn Dinge jedoch selbst Informationen verarbeiten sollen, etwa in einem städtischen Messsystem für Umweltwerte, benötigen sie datenverarbeitende Hardware. Diese Hardware muss zuverlässig, wartungsarm, energiesparend und günstig sein, weil sehr viele Geräte eingesetzt werden können und oft dauerhaft laufen. Integrierte Lösungen wie ein System-on-a-Chip können solche Anforderungen erfüllen.
Sensoren und Aktoren erweitern die Funktion von IoT-Geräten. Sensoren erfassen Zustände, Aktoren führen Aktionen aus. Die automatische Identifikation mit RFID gilt häufig als Grundlage oder Vorläufer des IoT, reicht allein aber nicht aus, weil direkte Kommunikation über Internetprotokolle fehlt.
Software, Kommunikation und Datenintegrität
Auf der Softwareseite sind Betriebssysteme mit sehr niedrigem Speicherverbrauch wichtig, die zugleich einen Netzwerkstack für die Kommunikation bereitstellen. Ein Netzwerkstack ist die Software, die Netzwerkprotokolle verarbeitet. Als Beispiel nennt der Artikel Contiki, das auf vielen Mikrocontrollerarchitekturen läuft. Weitere IoT-Betriebssysteme sind Windows 10 IoT, Android Things, Arm Mbed OS, Zephyr, TinyOS und RIOT.
Technologien für den Anschluss eines Geräts an das IoT lassen sich in Hardware-Komponenten, Protokoll-Stacks und cloudbasierte IoT-Plattformen einteilen. Hardware-Komponenten sind zum Beispiel COM-Controller-Chips oder Smart Modules. Protokoll-Stacks umfassen Basisprotokolle des Internets und IoT-spezifische Middleware. Cloudbasierte Plattformen können virtuelle Gerätenetze bilden.
Für die Kommunikation kommen je nach Anwendung drahtgebundene Verfahren wie Ethernet oder Powerline Communication sowie Funkverfahren in Betracht. Dazu gehören Bluetooth, Near Field Communication (NFC), RFID, WLAN, Low Power Wide Area Network, Satellitenkommunikation über Very Small Aperture Terminal (VSAT), der 5G-Mobilfunkstandard mit Narrowband und ab etwa 2030 der 6G-Mobilfunkstandard. Funkverfahren im Weitbereich über Satelliten im Low Earth Orbit (LEO) mit 5G-Standard können globale Abdeckung bei geringem Energieverbrauch ermöglichen. Geräte können bei Bedarf automatisch von Mobilfunk auf Satellitenkommunikation wechseln. Der Artikel nennt zudem die Erwartung, dass kommerzielle Geräte unter 5 Euro neue Möglichkeiten für massives IoT in abgelegenen Gebieten eröffnen.
Eine wachsende Herausforderung ist die Datenintegrität, also die Sicherstellung, dass Messdaten nicht manipuliert werden. Bei Milliarden kommunizierender Geräte ohne zentrale Instanz stoßen herkömmliche Blockchains oft an Grenzen der Skalierbarkeit und sind für ressourcenschwache Sensoren zu rechenintensiv. Neuere Forschungsansätze untersuchen deshalb leichtgewichtige Ledger-Strukturen auf Basis von DAGs, also Directed Acyclic Graphs. Sie sind auf hohen Durchsatz und asynchrone Verifikation ausgelegt.
Datenschutz, Sicherheit und Kritik
IoT-Geräte erfassen, speichern und tauschen Daten aus. Dabei sammeln sie auch Daten über Nutzer und Anwender. Diese Daten können für Unternehmen, Staaten oder Organisationen interessant sein, deren Interessen nicht immer mit denen der Nutzer übereinstimmen. Deshalb ist die Souveränität über Persönlichkeits- oder Kundenprofile ein zentrales Anliegen des Datenschutzes. Auf EU-Ebene wurde dafür die Verordnung (EU) 2023/2854, die EU-Datenverordnung, erlassen. Sie soll fairen Datenzugang und faire Datennutzung innerhalb der EU regeln.
Sicherheitsmaßnahmen im IoT sind meist bekannte Maßnahmen auf Software- und Netzwerkebene, die auf vernetzte Geräte angewendet werden. Sie sollen Zugriffe von außen verhindern. Beispiele sind sichere Passwörter, die Deaktivierung von UPnP-Funktionen bei Routern nach Empfehlung des Bundesamts für Sicherheit in der Informationstechnik, Mutual Authentication und Trusted Network Connect. Mutual Authentication bedeutet, dass Geräte sich gegenseitig mit Zertifikaten authentifizieren und dadurch vertrauenswürdige Kommunikation ermöglichen. Trusted Network Connect analysiert Zugriffe im Netzwerk und nutzt dabei unter anderem einen Policy Enforcement Point (PEP), der Netzwerkzugänge regelt, und einen Policy Decision Point (PDP), der Autorisierungsentscheidungen trifft.
IoT-Geräte können jedoch neue Angriffswege schaffen, weil Geräte vernetzt werden, die vorher nicht digital angreifbar waren. Genannt wird eine Forschergruppe der Universität Waterloo, die 2020 auf eine Sicherheitslücke in Wi-Fi-Netzwerken hinwies und 2022 mithilfe einer handelsüblichen Drohne die Position smarter Geräte in einem Haus innerhalb von Sekunden ausspähte. Ein weiteres Beispiel ist eine 2022 bekannt gewordene Sicherheitslücke in HomeTec-Pro-Funk-Türschlössern des Herstellers Abus. Das BSI bewertete einen Hackerangriff als durchaus wahrscheinlich und vergab die zweithöchste Risikostufe.
Kritik betrifft besonders Botnetze, smarte Autos, unautorisierte Geräte in Betrieben und die Abhängigkeit von Technik und Internetverbindungen. Ein Ausfall kann schwerwiegende Folgen haben, etwa wenn ein Sensor am Auto den Reifendruck überwachen soll. Als erste Sicherheitsmaßnahmen werden die Änderung standardisierter Anmeldedaten sowie regelmäßige Sicherheits- und Firmware-Updates genannt. Shoshana Zuboff sieht im Internet der Dinge außerdem die Gefahr eines Überwachungskapitalismus und einer Machtform, die sie Instrumentarismus nennt: menschliches Verhalten werde im Sinne anderer erkannt und geformt. Der Artikel nennt zudem die Sorge, dass staatliche Akteure Zugriff auf IoT-Daten anstreben oder besitzen.
Energieverbrauch und Nutzenabwägung
Der Energieverbrauch des Internets der Dinge wird unterschiedlich bewertet. Die Internationale Energieagentur (IEA) ermittelte in einer Studie, dass IoT-Geräte 2013 rund 616 Terawattstunden (TWh) Energie verbraucht hätten, davon etwa 400 TWh verschwendet. Laut dieser Darstellung verbrauchten die Steuersysteme mit dauerhafter Internetverbindung selbst Energie, die sie zuvor durch intelligentes Energiemanagement eingespart hatten.
2017 berechnete die IEA jedoch auch mögliche Einsparungen durch Digitalisierung, intelligente Thermostate und intelligente Beleuchtung. Demnach könnte der Gesamtenergieverbrauch in Wohn- und Geschäftsgebäuden zwischen 2017 und 2040 um bis zu 10 % gegenüber dem zentralen Szenario sinken. Vorteile entstehen durch Vorhersage, Messung und Überwachung der Energieleistung von Gebäuden in Echtzeit. So können Verbraucher, Gebäudemanager, Netzbetreiber und andere Beteiligte erkennen, wann Wartung nötig ist, wann Investitionen nicht die erwartete Leistung bringen oder wo Energie gespart werden kann.
Nach dieser Berechnung könnten die Vorteile mit begrenzten Energiekosten erreicht werden: Aktive Steuerungen würden im Jahr 2040 voraussichtlich nur 275 TWh verbrauchen, während sie im selben Jahr potenziell 4650 TWh einsparen könnten.
Typische Anwendungen und Forschung
Als frühes Beispiel für ein Internet of Things gilt die Erfassung eines Getränkeautomaten an der Carnegie Mellon University. Universitätsangehörige entwickelten 1982 ein Programm, das anzeigte, ob der Automat gefüllt war und wann dies geschehen war. Sie nutzten dafür das Arpanet, einen Vorläufer des heutigen Internets.
Ein einfaches Anwendungsbeispiel ist die Paketverfolgung: An Transportstationen wird eine Sendung über Strichcodes oder 2D-Codes eindeutig identifiziert, der aktuelle Status wird an eine Zentrale übertragen und der Empfänger kann ihn über eine Webseite abrufen. Ein weiteres Beispiel ist die Nachbestellung von Druckerpatronen: Der Drucker erkennt Patronen über Chiptechnologie, überwacht den Füllstand und fordert bei Unterschreiten einer Grenze zur Nachbestellung über die Herstellerwebseite auf. In beiden Fällen sind eindeutige Identifikation, Internetverknüpfung und menschliche Interaktion beteiligt.
Komplexere Anwendungen verbinden Geräte stärker mit automatischer Datenverarbeitung. Dazu gehören manuell ausgelöste Bestellungen über Dash-Button-ähnliche Systeme, Umweltbeobachtung wie die Messung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration an 300 Messstationen in der Schweiz über ein Low Power Wide Area Network, Smart-City-Anwendungen zur Messung von H2S in Abwasserkanälen und automatisierte Gegenmaßnahmen, Heizungssteuerung per Mobilfunk-App sowie Smart-Home-Anwendungen mit Lichtquellen, Jalousien, Herd, Kühlschrank, Waschmaschine und Unterhaltungselektronik.
Das EPCglobal-Netzwerk wird als logistischer Teilbereich des Internets der Dinge beschrieben. Es nutzt RFID und den Electronic Product Code zur weltweit eindeutigen Identifikation. Als mögliches künftiges Beispiel nennt der Artikel einen Bürostuhl, dessen Sensordaten über das Netzwerk ausgewertet werden, damit seine Einstellungen besser an den Nutzer angepasst werden können. Die Forschung zum Internet der Dinge wird seit Jahren betrieben; dabei hat sich die ursprüngliche Vision der Auto-ID Labs thematisch erweitert. Auf europäischer und deutscher Ebene wurden und werden viele Forschungsprojekte gefördert, auch zur Verknüpfung physischer Objekte mit digitalen Gedächtnissen.
