In meinem Artikel zur Datentransferebene im Vier-Ebenen-Modell habe ich das IoT-Gateway als zentrale Cross-Layer-Komponenten kurz erwähnt. In der letzten Space Analysis zum Pumpenmonitoring ist diese Komponente ebenfalls aufgetreten. Ihre Bedeutung für erfolgreiche Smart Factory-Projekte ist so groß, dass sie eine detaillierte Betrachtung verdienen. Als intelligente Brücken zwischen der physischen Produktionswelt und digitalen IT-Systemen übernehmen sie weit mehr Aufgaben als herkömmliche Netzwerkkomponenten.

In diesem Artikel beleuchte ich, was IoT-Gateways auszeichnet, welche Kernfunktionen sie erfüllen und wie du die richtige Lösung für dein Unternehmen auswählst. Entdecke außerdem, warum IoT-Gateways das Herzstück moderner IIoT-Architekturen bilden und wie sie Legacy-Systeme nahtlos in die digitale Zukunft führen.

Was ist ein IoT-Gateway?

Schauen wir uns zunächst eine geeignete Definition des Begriffs „Gateway“ an. Übersetzt heißt es so viel wie Durchgang, Tor oder Pforte. Im IT-technischen Sinne ist es also:

„…ein zentraler Knotenpunkt in der Netzwerkkommunikation, der als Bindeglied zwischen verschiedenen Netzwerken fungiert. […] (Sie) dienen als Ein- und Ausgangspunkte für Netzwerke, wobei alle Daten das Gateway passieren oder mit ihm kommunizieren müssen, bevor sie weitergeleitet werden.“
Quelle: Computerweekly

Und genau das ist auch ein IoT-Gateway. Es fungiert als zentrale Schnittstelle zwischen der operativen Technologie (OT) auf der Shopfloor-Ebene und der Informationstechnologie (IT) in der Cloud oder im Rechenzentrum. Es gibt sowohl Hardware- als auch Software-Gateways. Sie alle verbinden die verschiedene Geräte, Sensoren und Systeme miteinander, unabhängig von deren Kommunikationsprotokollen oder technischen Spezifikationen.

Die Funktion eines IoT-Gateways lässt sich meiner Meinung nach am besten an einem bestimmten Beispiel illustrieren. Der Hersteller ThingsBoard hat dafür eine tolle Grafik erstellt:

Der Pfeil deutet auf das IoT-Gateway. Du siehst, wie vielseitig ein IoT-Gateway agieren kann. Auf der Homepage des Anbieters ist die Grafik animiert dargestellt. Ein Blick lohnt sich.

Einordnung in die IIoT-Architektur

Zur Einordnung eines IoT-Gateways bediene ich mich wieder am Vier-Ebenen-Modell.

In meinem Beitrag über die Navigation von Produktionsdaten habe ich das IoT-Gateway bereits kurz erwähnt. Es ist primärer Bestandteil des Datentransfers einer IoT-Anwendung und sollte im Sinne der Modularisierung darauf reduziert werden. Es fungiert als Schnittstelle zwischen der Datenerzeugungs- und Datenhaltungsebene, indem es die von Sensoren und SPS bereitgestellten Daten entgegen nimmt, sie für den Transport aufbereitet und an die entsprechenden Speicher- oder Verarbeitungssysteme weiterleitet. Gleichzeitig kann es Befehle aus höheren Ebenen empfangen und an OT-Systeme in der Datenerfassungsebene weiterleiten.

Cross-Layer-Charakteristik in Referenzmodellen: Betrachtet man andere Referenzmodelle, wird die besondere Stellung des IoT-Gateways deutlich. Beispielsweise übernimmt es im TCP/IP-Modell je nach Implementierung Aufgaben in allen vier Schichten:

• Anwendungsschicht: Protokollübersetzung (MQTT ↔ HTTP, OPC UA ↔ REST)
• Transportschicht: Verbindungsmanagement und QoS-Steuerung
• Internetschicht: Routing zwischen OT- und IT-Netzwerken
• Netzzugangsschicht: Medienkonvertierung zwischen verschiedenen physischen Übertragungstechnologien

Diese schichtübergreifende Funktionalität macht das IoT-Gateway zu einer „Cross-Layer“-Komponente. Dadurch wird die Komplexität heterogener IIoT-Umgebungen abstrahiert und eine nahtlose Kommunikation zwischen unterschiedlichen Systemen und Protokollen ermöglicht. Das gleiche Prinzip gilt für das ISO/OSI-Modell, wo das Gateway ebenfalls mehrere Schichten durchdringt.

Diese Vielseitigkeit ist sowohl Stärke als auch Herausforderung. Während sie maximale Flexibilität bietet, erfordert sie auch eine sorgfältige Planung der Gateway-Architektur, um die Modularität und Wartbarkeit des Gesamtsystems zu gewährleisten, sowie ein Single-Point-of-Failure zu vermeiden.

Was ist ein IoT-Gateway nicht?

Um die Rolle eines IoT-Gateways besser zu verstehen, ist es hilfreich, es von anderen Netzwerkkomponenten abzugrenzen.

IoT-Gateway vs. Router: Während Router primär für die Weiterleitung von Datenpaketen zwischen verschiedenen Netzwerken zuständig sind und auf der Internetschicht (Layer 3) arbeiten, gehen IoT-Gateways weit darüber hinaus. Router verstehen keine Anwendungsprotokolle und können keine Datenformate konvertieren. Ein IoT-Gateway hingegen übersetzt sowohl Protokolle als auch Datenstrukturen und bietet dazu Edge-Computing-Funktionalitäten an.

IoT-Gateway vs. Switch: Switches verbinden Geräte innerhalb desselben Netzwerks und arbeiten auf der Sicherungsschicht (Layer 2). Sie leiten Frames basierend auf MAC-Adressen weiter, ohne den Inhalt zu verstehen oder zu modifizieren. IoT-Gateways können zwar auch als Netzwerk-Bridge fungieren, ihre Hauptstärke liegt jedoch in der intelligenten Verarbeitung und Transformation von Anwendungsdaten.

IoT-Gateway vs. Firewall: Firewalls filtern Netzwerkverkehr basierend auf Sicherheitsregeln und blockieren unerwünschte Verbindungen. Obwohl moderne IoT-Gateways oft Firewall-Funktionen integrieren, ist ihr Hauptzweck die Protokollübersetzung und Datenverarbeitung, nicht die reine Sicherheitsfilterung. Sie sind eher „intelligente Übersetzer“ als „digitale Wächter“.

Kernfunktionen vom IoT-Gateway

Nachdem wir geklärt haben, was ein IoT-Gateway ist und was es nicht ist, betrachten wir nun seine zentralen Aufgaben in einer IIoT-Umgebung. Die Kernfunktionen eines IoT-Gateways gehen weit über einfache Datenweiterleitung hinaus und machen es zu einem intelligenten Vermittler zwischen der physischen Produktionswelt und digitalen IT-Systemen. Die Funktionen teile ich in vier wesentliche Bereiche ein, welche jeweils spezifische Herausforderungen der industriellen Digitalisierung adressieren.

Protokollübersetzung und Interoperabilität

Eine der wichtigsten Funktionen eines IoT-Gateways ist die Übersetzung zwischen verschiedenen Protokollen. In Produktionsumgebungen existieren zahlreiche ältere und proprietäre Protokolle wie Modbus, PROFINET, OPC UA oder BACnet. Das Gateway konvertiert diese industriellen Protokolle in internet-basierte Standards wie MQTT, AMQP oder HTTP/REST, die für die Cloud-Kommunikation optimiert sind.

Dabei kann das Gateway bidirektional arbeiten. Das bedeutet, es übersetzt nicht nur Sensordaten vom Feld in die Cloud, sondern auch Steuerbefehle in umgekehrter Richtung zurück zu den Maschinen. Ein praktisches Beispiel dazu: Temperaturdaten von einem Modbus-Sensor werden in MQTT-Nachrichten umgewandelt, während gleichzeitig Sollwertänderungen aus der Cloud als Modbus-Befehle an die SPS weitergeleitet werden.

Diese Übersetzungsfunktion ermöglicht die nahtlose Integration von Legacy-Systemen in moderne IIoT-Plattformen ohne kostspielige Anlagenmodernisierungen. Darüber hinaus harmonisiert das Gateway unterschiedliche Datenformate und Zeitstempel, wodurch einheitliche Datenstrukturen für nachgelagerte Systeme entstehen.

Edge Computing und lokale Datenvorverarbeitung

Moderne IoT-Gateways fungieren als Edge-Computing-Plattformen und bieten deswegen mehr als reine Konnektivität. Durch lokale Verarbeitung können sie:

• Datenfilterung durchführen, um nur relevante Informationen weiterzuleiten
• Daten aggregieren und komprimieren, um Bandbreite zu sparen
• Echtzeit-Analysen für zeitkritische Entscheidungen ausführen
• Bei Netzwerkunterbrechungen als Datenpuffer fungieren

Diese dezentrale Intelligenz reduziert die Latenz, senkt Übertragungskosten und erhöht die Ausfallsicherheit des Gesamtsystems.

Ein praktisches Beispiel: Anstatt jede Sekunde 100 Temperaturmesswerte zu übertragen, kann das Gateway diese lokal aggregieren und nur Durchschnittswerte, Anomalien oder Grenzwertüberschreitungen weiterleiten. Bei kritischen Ereignissen wie Überhitzung erfolgt die Alarmierung sofort am Edge, ohne dabei auf Cloud-Verbindungen angewiesen zu sein.

Diese dezentrale Intelligenz kann die Latenz reduzieren, Übertragungskosten senken und die Ausfallsicherheit des Gesamtsystems erhöhen.

Sicherheitsfunktionen und Access Control

In einer vernetzten Industrieumgebung nimmt das Gateway eine entscheidende Rolle bei der Absicherung von Produktionssystemen ein. Es bildet eine kontrollierte Sicherheitsbarriere zwischen OT- und IT-Netzwerken und bietet:

• Verschlüsselung der Datenübertragung
• Authentifizierung und Zugriffskontrollen
• Firewall-Funktionalitäten
• Erkennung von ungewöhnlichen Datenmustern und potenziellen Bedrohungen

Praktisch bedeutet dies: Das Gateway kann beispielsweise nur autorisierten Benutzern den Zugriff auf bestimmte Maschinenparameter erlauben, verdächtige Kommunikationsmuster blockieren und sensible Produktionsdaten verschlüsselt übertragen. Dabei arbeitet es nach dem Prinzip „Security by Design“, also Sicherheit von Anfang an mitgedacht, nicht nachträglich aufgesetzt.

Diese Schutzfunktionen sind besonders wichtig, da viele ältere Industriesysteme nicht mit modernen Sicherheitskonzepten entwickelt wurden.

Konnektivitätsmanagement

IoT-Gateways unterstützen typischerweise eine breite Palette von Verbindungsmöglichkeiten:

• Kabelgebundene Verbindungen (Ethernet, serielle Schnittstellen, USB)
• Drahtlose Technologien (WLAN, Bluetooth, LoRaWAN, Zigbee)
• Mobilfunkverbindungen (4G/5G) für entfernte Standorte
• Cloudanbindungen zu verschiedenen IoT-Plattformen

Darüber hinaus gewährleisten moderne Gateways die Kontinuität der Datenerfassung auch bei Netzwerkausfällen. Sie verfügen über lokale Speicherkapazitäten, um Daten zwischenzupuffern, bis die Verbindung wiederhergestellt ist. Intelligente Failover-Mechanismen können automatisch auf alternative Verbindungswege umschalten, beispielsweise von WLAN auf Mobilfunk bei Internetausfällen.

Diese Vielseitigkeit macht das Gateway zum zentralen Knotenpunkt in heterogenen IIoT-Umgebungen und stellt sicher, dass kritische Produktionsdaten niemals verloren gehen.

IoT-Gateway als Hardware oder Software

Du findest auf dem Markt IoT-Gateways, die als reine Software angeboten werden, oder auch als ein Stück Hardware.

Software-Gateways sind Anwendungen, die auf deiner bestehenden Hardware wie Servern, Edge-Computern oder sogar modernen SPSen ausgeführt werden. Sie nutzen die Ressourcen des Host-Systems und lassen sich virtuell bereitstellen.

Hardware-Gateways sind hingegen dedizierte physische Geräte mit eigener CPU, Speicher und vorinstallierter Gateway-Software. Sie werden direkt an Maschinen oder in Schaltschränken installiert und arbeiten als eigenständige Einheiten.

Schauen wir uns ein paar Aspekte zur Unterscheidung an, die du als Auswahlkriterien nutzen kannst:

Diese grundlegenden Unterschiede beeinflussen maßgeblich die Entscheidung für den jeweiligen Einsatzbereich. Hier zwei konkrete Einsatzszenarien, die eine Auswahl verdeutlichen.

Angenommen, du betreibst in deiner Fabrik eine eigene IT-Infrastruktur mit Server und Storage auf Shopfloor-Ebene. Dann ist der Einsatz eines Software-Gateways sinnvoll. Deine bestehende IT-Infrastruktur liefert bereits eine Industrietauglichkeit und ein Host-System ist schnell virtuell bereitgestellt. Zudem profitierst du von der Flexibilität bei Updates und Skalierung.

Falls du keine ausgeprägte IT-Infrastruktur hast oder abgelegene Standorte anbinden möchtest, ist das Hardware-Gateway die richtige Wahl. Es funktioniert sofort „out-of-the-box“ ohne zusätzliche Komponenten und eignet sich besonders für raue Industrieumgebungen oder Brownfield-Anwendungen, wo bestehende Maschinen nachträglich vernetzt werden sollen.

In Produktionsumgebungen mit fortgeschrittener Digitalisierung sind auch hybride Ansätze zu finden. Hier werden Hardware-Gateways für kritische Feldanwendungen und Software-Gateways für zentrale Datenverarbeitung eingesetzt. Dadurch kannst du die Vorteile beider Welten optimal nutzen.

Auswahlkriterien für dein IoT-Gateway

Nachdem du nun eine Entscheidung treffen konntest, ob du ein Hardware- oder ein Software-Gateway benötigst, möchte ich auf ein paar weitere Auswahlkriterien eingehen. Es gibt diverse Anbieter am Markt, sodass du durch eine strukturierte Herangehensweise die beste Lösung für dich finden solltest.

Praxisbeispiel: OPC Router in Aktion

Damit das Beschriebene noch verständlicher wird, zeige ich dir als nächstes ein konkretes Beispiel eines IoT-Gateways. Ich nehme dafür das Produkt OPC Router von der Firma inray Industriesoftware GmbH.

Dabei handelt es sich um ein Software-Gateway, das als „universeller Übersetzer“ zwischen verschiedenen Automatisierungssystemen fungiert. Die Lösung ermöglicht die nahtlose Kommunikation zwischen unterschiedlichen Protokollen und Systemen, z.B. von SPSen und Visualisierungen über Datenbanken und ERP-Systeme bis hin zu Cloud-Anwendungen.

Ein konkretes Beispiel einer Implementierung hat der Hersteller in diesem YouTube-Video auf anschauliche Weise beschrieben. Das anschauen lohnt sich.

Das IoT-Gateway, welches dort gezeigt wird, läuft virtualisiert auf einem Server, was es zu einem Software-Gateway macht. Zur Konfiguration ist der OPC Router über einen Browser erreichbar.

Ich finde die Konfigurationsoberfläche mit den Drag&Drop Funktionen ansprechend. Es ist dadurch größtenteils selbsterklärend. Anstatt aufwendige Punkt-zu-Punkt-Verbindungen programmieren zu müssen, können Anwender verschiedene Systeme miteinander verknüpfen.
Ein weiterer Vorteil sind für mich die Flexibilität, denn man kann das Produkt mit genau den Plug-Ins bestellen, die man braucht. Wenn mal eins nicht verfügbar ist, dann lässt sich eine Anbindung an ein Legacy-System mittels C#-Skript auch selber erstellen.
Außerdem gefällt mir, dass man eine Redundanz aufbauen kann, indem man zwei Gateway auf unterschiedlichen physischen Servern betreibt und miteinander verbindet. So ist eine optimale Verfügbarkeit gewährleistet.

Mission Recap

IoT-Gateways sind weit mehr als einfache Netzwerkkomponenten. Sie fungieren vielmehr als intelligente Vermittler zwischen der physischen Produktionswelt und digitalen IT-Systemen. Ihre vier Kernfunktionen – Protokollübersetzung, Edge Computing, Sicherheitsmanagement und Konnektivitätssteuerung – machen sie zu unverzichtbaren Bausteinen jeder Smart Factory.

Die Entscheidung zwischen Hardware- und Software-Gateways hängt schließlich von deiner IT-Infrastruktur ab: Hardware-Gateways für raue Umgebungen und Brownfield-Anwendungen, Software-Gateways für maximale Flexibilität in etablierten IT-Landschaften. Die acht Auswahlkriterien helfen dir, die optimale Lösung zu finden.

Welche Gateway-Lösung passt zu deinem Smart Factory-Projekt? Teile deine Erfahrungen in den Kommentaren oder kontaktiere mich für einen individuelle Austausch.