Application Gateways: Gatewayfreie IP-Kommunikation durch Licht

Um IoT-Geräte miteinander zu vernetzen, werden sogenannte Gateways verwendet. Die Signalübertragung ist allerdings nicht immer verlustfrei. Über Lösungen mit einer Lichtinfrastruktur wird die gesamte IP-Übertragung optimiert. Die modernen Application Gateways haben dabei viel zu bieten.

Was sind Gateways?

Um das Internet der Dinge (Interten of Things – IoT) aufrecht zu halten, wird ein komplexes Netzwerk für die Übertragung und Verbindung von Signalen benötigt. Dafür kommen aktuell zum Großteil Gateways zum Einsatz. Dabei gibt es die Gateways in zwei Grundformen zu verstehen:

Zum einen gibt es die klassischen Gateways, die für die Nachrichtenübermittlung zwischen Protokollen zuständig sind. Diese Protokolle tauchen an der Oberfläche von OSI-Referenzmodellen (Open Systems Interconnection Model) auf. Hier wird lediglich das gesendete Informationspaket von A nach B geschickt. Es ist für das System nicht notwendig, die versendeten Inhalte zu verstehen oder zu entschlüsseln.

Dem gegenüber stehen die Application Gateways. Diese sind darauf optimiert, für eine bestimmte Anwendungsebene Informationen zu kommunizieren und zu empfangen. Es ist relevant, dass die Informationsinhalte im vollen Umfang am Application Gateway übersetzt und begriffen werden.

Video: Netzwerksicherheit MOOC, Application Level Gateway, Prof. Dr. Andreas Hanemann, FH Lübeck

Application Gateways für Lichtinfrastrukturen

Um innerhalb des Kommunikationssystems einen Datenverlust zu vermeiden, kann die benötigte Infrastruktur auf Lichtsignale umgestellt werden. Kommt diese Technologie zum Einsatz, muss das verwendete Steuerungsprotokoll auf maßgeschneiderte Application Gateways zugreifen. Die Licht-Übertragung inkorporiert einen relevanten Zeitfaktor in das Übertragungssystem.

Wird ein vorgegebener Zeitraum innerhalb einer Anfrage-Antwort-Kommunikation nicht eingehalten, kann die Anfrage nicht weitergeleitet werden. Tritt dieses Problem auf, sind die Application Gateways notwendig, um die Paketinhalte auszulesen und passend weiterzuleiten.

Anwendungsbeispiel: Lichtinfrastruktur im Dali-Umfeld

Ein klassisches Kommunikationssystem für die Lichtsteuerung ist Dali. Die Anwendung ist weitläufig für einfache wie komplexe Aufgaben implementiert. Das System muss auf die besonderen Ansprüche der Lichtübertragung angepasst werden.

So kann es sein, dass ein einzelner Knopfdruck im Eingabepanel eine Reihe von Ereignissen anstößt:

Die Anzahl der gewünschten Ereignisse muss mit in die passenden Dali-Frames übersetzt werden.
Auch die benötigte Dauer des gewünschten Ereignisses muss für die Frames berücksichtigt werden.
Die Kombination der Frames erlaubt eine gezielte Ansteuerung der gewünschten Leuchten.

Dies sorgt dafür, dass es keine Seltenheit ist, wenn eine Reihe von Leuchtgruppen eine Vielzahl von Dali-Leistungen anspricht. Das Ausganges-Gateway A muss in diesem Fall einen Kontakt zum Controller, dem Gateway B herstellen – dies geschieht über ein separates Protokoll, das es ermöglicht, die Lichtübertragung zuzuschalten. Diese Einbindung des neuen Protokolls erlaubt es, die benötigte Anfrage zu erzeugen und diese in das zu versendende IP-Paket einzubinden. Sobald Gateway B das Datenpaket erhält, ist es in der Lage, die Inhalte auszulesen und die korrekten Leuchten zu aktivieren.

Video: Daten über Licht: Die Revolution der Kommunikation

Application Gateway: Protokoll übergreifende Lösungen finden

Innerhalb eines Protokolls wie Dali ist keine Herausforderung, die Gateways auf die neuen Kommunikationsanforderungen zu optimieren. Anders sieht es jedoch aus, wenn gleichzeitig andere Protokolle in den Kommunikationsweg eingeschaltet werden. Die mehrfache Übersetzung der einzelnen Signalstärken kann das System überfordern.

Eine fehlerhafte Gateway-Anbindung kann zu diversen Problemen führen:

Übertragungsverzögerung führt zum Timeout-Error
Datenpakete werden fehlerhaft zugewiesen
Datenpakete werden nicht übermittelt

Eine besondere Herausforderung stellen Protokollübertragungen, bei denen eine einzelne Anfrage in eine Reihe von unterschiedlichen Befehlen übersetzt wird. Das Gateway muss hier in der Lage sein, jeden Einzelbefehl korrekt zu übersetzen und zuzustellen. Kommt es in diesem Bereich zu Problemen, ist es durchaus möglich, dass die Daten verloren gehen. Es kann sogar sein, dass ein kompletter Systemzusammenbruch die Folge ist.

Wo kommen die Lichtinfrastrukturen zum Einsatz?

Komplexe Lichtkommunikationssysteme kommen heute bereits in vielen Bereichen zum Einsatz. Ein gutes Beispiel sind Kaufhäuser oder Bürogebäude und Hotels. Die modernen Application-Gateway-Lösungen lassen sich dabei sowohl für bestehende Systeme als auch für neue Systeme implementieren.

Aber auch in der Industrie entscheiden sich immer mehr Firmen dazu, vor allem komplexe Systeme auf die schnellere wie sichere Technologie mit den spezifischen Protokollfunktionen auszuweiten. Für das Internet der Dinge ist das System für Sensoren, Softwarelösungen und Dienstleistungsmodule aller Art wichtig. Dies macht die Lichtinfrastruktur zu einem vielversprechenden Kommunikationssystem für die Zukunft.

Komplexe Lichtkommunikationssysteme kommen heute bereits in vielen Bereichen zum Einsatz. (#01)

Funktionieren Protokolle ohne Gateway?

Es ist leicht zu erkennen, dass eine komplexe Gateway-Kommunikation mehrere Problemstellen aufweist. Eine unzureichende Umsetzung des Gateway-Systems birgt ein entsprechend hohes Risiko. Daher stellt sich die Frage, ob es nicht möglich ist, eine gatewayfreie Protokoll-Kommunikation aufzubauen. Diese Art der Systemarchitektur ist vor allem dann möglich, wenn es nicht notwendig ist, dass die übermittelten Daten an jedem Übertragungspunkt verstanden werden.

Anwendungsbeispiel für eine gatewayfreie Kommunikation

Es gibt viele Möglichkeiten, um ein System ohne Gateway zu realisieren. Im Folgenden ein Beispiel für eine denkbare Implementierung:

Innerhalb einer Anwendung schickt Port A eine Anfrage an Port C. Diese Anfrage wird von Port A in die offene Netzwerkschicht gesendet. Innerhalb der Schicht wird die Anfrage mit einem Header bestückt. Diese beinhaltet die IPv6-Adresse von Port C, dem Empfänger. Die Daten gehen anschließend in die nächste Kommunikationsschicht (MAC/PHY).

Dort wird das Datenpaket mit der MAC-Adresse für den nächsten Port (Port B) versehen. Sobald das Paket zu Port B eingeht, prüft diese, mit welcher IPv6-Adresse es ausgestattet ist. Stimmt die Adresse nicht mit der eigenen überein, schickt Port B das Paket zurück in die MAC/PHY-Schicht.

Wichtig

Das Protokoll der Netzwerkschicht ist für die Spezifizierung des Header-Formats und des Inhalts zuständig. Es ist dabei nicht relevant, welche Datenmenge hier versendet wird, die Protokoll-Kommunikation ist identisch.

Landet das Datenpaket erneut in der MAC/PHY-Schicht, wird dem Header die MAC-Adresse für den nächsten Port zugeführt, in diesem Fall also Port C – dem zu Beginn gewählten Empfänger. Port C gleicht die IP6V-Adresse im Header mit der eigenen ab und beginnt mit der Übersetzung des Inhalts.

Dieses System sorgt dafür, dass lediglich der Ausgangs-Port und der Empfangs-Port in der Lage sein müssen, die Inhalte des Datenpaketes zu übersetzen und zu interpretieren. Alle zwischengeschalteten Kommunikationspunkte benötigen lediglich die passenden Header-Informationen.

Vor allem für die Übertragung von sensiblen Daten ist dieser Kommunikationsweg sehr gut. Die minimierte Datenübersetzung erhöht die Datensicherheit ungemein. (#03)

Hinweis

Vor allem für die Übertragung von sensiblen Daten ist dieser Kommunikationsweg sehr gut. Die minimierte Datenübersetzung erhöht die Datensicherheit ungemein.

Gatewayfreie Architekturen bieten viele Vorteile

Wird für die Kommunikation auf den Einsatz von Gateways komplett verzichtet, hat dies drei wichtige Vorteile zu bieten:

Übersetzungsprobleme werden eliminiert
Hohe Datensicherheit
Sichert die Stabilität des Netzwerks

Es sind vor allem lichtbasierende Infrastrukturen, die auf den Einsatz von Gateways verzichten können. Es befinden sich bereits maßgeschneiderte Hardware- und Softwarelösungen auf dem Markt, die auf diese Kommunikation setzen. Diese vereinen zum Beispiel mehrere Komponenten miteinander, wie Router, Sensoren, Schnittstellen, LED-Treiber und weitere. Eine solche Gesamtlösung kann im Alltag und in der Industrie eine Vielzahl von Einsatzgebieten finden.