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Dotdot, die universelle Sprache des IoT

| Autor / Redakteur: Ezra Hale * / Michael Eckstein

Viele IoT-Geräte brauchen einen Übersetzer für den Datenaustausch. Dotdot over Thread will die Kommunikation vereinheitlichen und eine neue Ära der IP-Konnektivität und Sicherheit für das IoT einläuten.

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Vermittlerrolle: Dotdot ist setzt als Anwendungsschicht auf das Thread-Netzwerkprotokoll auf. Die Anwendungssprache kann die Kommunikation im IoT vereinheitlichen und vereinfachen.
Vermittlerrolle: Dotdot ist setzt als Anwendungsschicht auf das Thread-Netzwerkprotokoll auf. Die Anwendungssprache kann die Kommunikation im IoT vereinheitlichen und vereinfachen.
(Bild: Silicon Labs )

Im Jahr 2013 saßen drei Ingenieure – ein Stack-Anbieter und zwei konkurrierende Türschlosshersteller – in einem fensterlosen Konferenzraum in Boston. Sie waren dort, um eine Einigung über den Bau ihrer IoT-Geräte zu erzielen. Beide Hersteller hatten ihre eigene spezielle Lösungsvorstellung für ihre Türschlösser, beide wollten das Zigbee-Ökosystem nutzen und ihre Produkte auf die gleiche Weise kommunizieren lassen. Sie einigten sich schließlich auf eine Lösung, die später als Door-Lock-Cluster Teil der Zigbee Cluster Library (ZCL) wurde.

Auf der Anwendungsschicht stellt Zigbee ein standardisiertes Kommunikationsprotokoll über sogenannte „Cluster“ zur Verfügung. Cluster legen fest, welche Befehle ein Gerät senden oder empfangen kann und um welche Daten oder Attribute es verarbeitet. Das Door-Lock-Cluster definiert alles, von der Art und Weise, wie eine Tür verriegelt und entriegelt wird, bis hin zu Zeitabläufen und PIN-Codes für das Schloss. So kommuniziert ein Türschloss an der Spitze des Zigbee-Protokoll-Stacks einerseits spezifisch, andererseits standardisiert mit dem Rest des Zigbee-Netzwerks und der Außenwelt.

Gemeinsame Anwendungsschicht als wichtiges Element

Über die letzten zehn Jahre haben die Zigbee-Mitgliedsunternehmen die Zigbee-Cluster-Bibliothek (ZCL) aufgebaut. Sie deckt einen großen Funktionsumfang und somit ein breites Anwendungsspektrum ab – von Leuchten bis zu Fenstersensoren, von Thermostaten bis zu intelligenten Stromzählern (Smart Meter). Diesen Funktionsumfang stellt das Zigbee-Protokoll auch zur Verfügung, wenn es über andere Netzwerk-Transportschichten übertragen wird.

Im Internet der Dinge muss jedes intelligente Gerät auf der Anwendungsschicht die gleiche Sprache verstehen und sprechen. Wie sonst soll ein intelligenter Hub wissen, wie man mit einem handelsüblichen Türschloss oder Thermostaten kommuniziert und wie man diese steuert? Ohne eine gemeinsame Anwendungsschicht spielt es überhaupt keine Rolle, wie gut die darunter liegenden Netzwerkebenen funktionieren. Sie ist das entscheidende Element – und fehlt den bisherigen IoT-Netzwerkstandards. Daher ist Zigbee angetreten, die Zigbee-Cluster-Bibliothek in eine universelle, eigenständige Anwendungssprache mit der Bezeichnung Dotdot zu portieren. Über Dotdot können intelligente Geräte standardisiert über beliebige Netzwerke kommunizieren.

Thread-Protokoll nutzt IPv6-Variante 6LoWPAN

Das Thread-Netzwerkprotokoll verwendet 6LoWPAN, eine komprimierte Form von IPv6. Dadurch können Thread-Geräte direkt mit anderen IP-Geräten interagieren, ohne wie in Zigbee 3.0 ein Gateway durchlaufen zu müssen. Der Border- oder Edge-Router im Thread-Netzwerk fungiert als Durchlass für den IPv6-Verkehr, der für die Cloud bestimmt ist und umgekehrt. Dadurch können Geräte, die sich im Thread-Netzwerk befinden, direkt mit anderen IP-Geräten in Wechselwirkung treten.

Dotdot verwendet die von der Internet Engineering Task Force (IETF) definierten gemeinsamen, IP-freundlichen Protokollspezifikationen wie das Constrained Application Protocol (CoAP) und die Concise Binary Object Representation (CBOR). Dadurch stehen offene Bibliotheken für das Implementieren von Anwendungen zur Verfügung, was die Geräteentwicklung beschleunigen kann. Dotdot over Thread setzt den Einsatz von Datagram Transport Layer Security (DTLS) voraus. Dadurch können Geräte im Thread-Netzwerk sicherstellen, dass sie nicht nur mit einem vertrauenswürdigen Gerät kommunizieren, sondern auch, dass ihre Kommunikation abgesichert ist.

Dotdot verlangt DTLS und ACE-Zugriffskontrolle

Zusätzlich zur Verwendung von DTLS verlangt Dotdot auch die Verwendung von ACE (Authentification for Constrained Environments), allgemein als Zugriffskontrolle bezeichnet. Mit deren Hilfe kann ein Bereitstellungsgerät genau angeben, welche Ressourcen auf einem Gerät verfügbar sind, so dass ein Thermostat zwar eine DTLS-Verbindung gemeinsam mit einem Türschloss nutzen, aber dieses Schloss nur dann direkt steuern kann, wenn ihm die entsprechenden Zugriffsrechte zugewiesen werden.

Bislang mussten Produktentwickler zwischen Technologien wählen, die entweder a) zuverlässige, lokale Device-to-Device-Interoperabilität unterstützen, aber oft Produkte und Daten hinter Gateways von Drittanbietern laufen lassen, oder b) diese Produkte direkt mit dem Internet verbinden, wodurch Probleme bei der Zuverlässigkeit, Interoperabilität und Benutzerfreundlichkeit entstehen können, wenn Produkte auf nützliche Weise miteinander verbunden werden sollen. Dotdot over Thread bietet die beste Lösung aus zwei Welten.

M2M-Kommunikation auch über die Cloud

Die Zigbee Cluster Library wurde für die Device-to-Device-Kommunikation über stromsparende und datenverlustbehaftete Netzwerke sowie für batteriebetriebene Geräte entwickelt und optimiert. Dies bedeutet, dass der Datenaustausch kompakt ist und meist in ein einziges 802.15.4-Paket von 127 Byte passt. Nachrichten und nötige Abstimmungen zwischen Geräten sollen auf ein Minimum beschränkt sein. Batteriebetriebene Geräte befinden sich oft lange Zeit in einem Schlafmodus, um Energie zu sparen.

In diesem Betriebszustand können sie jedoch nicht oder nur rudimentär kommunizieren. Daher müssen sie ihre Kommunikationsfunktionen regelmäßig oder bei Bedarf aktivieren. Dotdot integriert diese Grundprinzipien aus der ZCL. Dadurch kann die Anwendungssprache zwischen den batteriebetriebenen Geräten und herkömmlichen IP-gestützten Netzwerken vermitteln.

Durch das Verwenden von Thread wird ein Gateway im Mesh-Netzwerk überflüssig. Dieses Gateway ist der Vermittler zwischen externen und internen Geräten. Mit einem gemeinsamen Thread-Border-Router ist es möglich, eine DTLS-Verbindung von überall im Internet zu einem Gerät im lokalen Mesh-Netzwerk herzustellen und sicher mit diesem Gerät zu kommunizieren. So können die „Gehirne“ des IoT-Systems in der Cloud verortet sein und direkt mit den Geräten im Netzwerk kommunizieren, ohne sich um die Version der Firmware auf einem Gateway kümmern zu müssen.

Der Thread-Border-Router fungiert als Durchlass (Pass-Through) und braucht deshalb seine Firmware nicht zu aktualisieren, wenn sich die Zusammensetzung des Mesh-Netzwerks ändert und neue Geräte hinzugefügt oder aktualisiert werden. Folglich lassen sich komplexe Operationen wie etwa das Aktualisieren der Firmware eines Gerätes auf Mesh direkt aus der Cloud über einen sicheren Kommunikationskanal durchführen, was das Management von Mesh-Geräten wesentlich vereinfacht.

Kommunikation von Dotdot zu Zigbee

Da Dotdot von der ZCL abgeleitet ist, ist die Verwendung eines Gateways unkompliziert, das zwischen den beiden übersetzt. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da neue Dotdot-Geräte nahtlos mit bestehenden Zigbee-Geräten verbunden werden können, was eine reibungslose Benutzerfreundlichkeit und Interoperabilität gewährleistet. Es bedeutet auch, dass vorhandene Zigbee-Geräte über Dotdot und die IP-freundlichen Protokolle an die Cloud angebunden werden können, so dass Fernsteuerung und Management der Geräte vereinfacht werden.

Zigbee zertifiziert seit zehn Jahren die Funktionalität der Anwendungsschicht (ZCL). Die Zigbee Alliance entwickelt zudem eine automatisierte Testumgebung für Dotdot. Diese stellt sicher, dass Zigbee und seine Mitglieder in die Lage versetzt werden, Dotdot-Geräte und ihre Funktionalität der Anwendungsschicht zu zertifizieren. Außerdem wird gewährleistet, dass Geräte verschiedener Hersteller im gleichen Mesh-Netzwerk zusammenarbeiten. Dotdot-Anwender profitieren somit von einem robusten und bewährten Zertifizierungsprogramm.

Dotdot eignet sich auch für andere IP-Netzwerke

Während der anfängliche Fokus auf Dotdot over Thread liegt, ist es verhältnismäßig einfach, diesen auf andere IP-Netzwerke auszuweiten. Dotdot basiert auf IP-freundlichen Protokollen und IPv6, so dass die Nutzung leicht auf Wi-Fi oder Ethernet erweitert werden kann. Für Transportschichten wie Bluetooth, die IPv6 oder IP-Protokolle nicht nativ unterstützen, steht indessen ein gewisses Maß an Anpassung zu erwarten.

* Ezra Hale ist Vorsitzender des technischen Unterausschusses Mesh IP der Zigbee Alliance und Software Systems Engineering Manager bei Silicon Labs.

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