In meinem vorherigen Artikel über die Datenerfassungsebene habe ich beschrieben, wie Daten an der Quelle entstehen und für die weitere Verarbeitung aufbereitet werden. Doch selbst die hochwertigsten Daten bleiben wertlos, wenn sie nicht zuverlässig ihr Ziel erreichen. Deswegen kommt die zweite Ebene meines Vier-Ebenen-Modells, nämlich die Datentransferebene für Produktionsdaten, ins Spiel. Sie bildet die digitalen Datenautobahnen in deiner Smart Factory. In diesem Artikel setze ich die Reihe über das Vier-Ebenen-Modell für IIoT-Anwendungen fort. Dementsprechend beleuchte ich die technischen Grundlagen, wie Produktionsdaten in der Datentransferebene ihren Weg durch das Unternehmensnetzwerk finden. Vom TCP/IP-Referenzmodell bis zu IoT-Gateways betrachten wir die Mechanismen des industriellen Datentransfers und schaffen somit die Voraussetzungen für einen reibungslosen Informationsfluss in deiner Smart Factory.

Das TCP/IP-Referenzmodell als Grundlage des Datentransfers

Das TCP/IP-Referenzmodell bildet für die Datenübertragung das digitale Rückgrat einer Smart Factory, wobei es sich im Gegensatz zum theoretisch orientierten OSI-Modell durch seine praktische Implementation in realen Netzwerken als Standard etabliert hat.

Die Stärke von TCP/IP liegt in seiner vielseitigen Einsatzmöglichkeit. Es kann zum Datentransfer von Produktionsdaten zwischen unterschiedlichsten Geräten eingesetzt werden, z.B. von ressourcenbeschränkten Sensoren oder auch leistungsstarken Servern. Aus diesem Grund ist es ideal für heterogene IIoT-Umgebungen, in denen verschiedenste Systeme kommunizieren müssen.

Das Modell besteht aus vier Schichten mit spezifischen Funktionen:

• Die Netzzugangsschicht stellt die physische Verbindung her
• Die Internetschicht sorgt mit IP für die logische Adressierung und das Routing
• Die Transportschicht gewährleistet mit TCP/UDP zuverlässige Datenübertragung
• Die Anwendungsschicht bietet Schnittstellen für verschiedene Anwendungsprotokolle

Während TCP/IP herstellerunabhängig und universell einsetzbar ist, hat es im industriellen Kontext auch Herausforderungen: Jedes Datenpaket hat einen Header, quasi der Briefumschlag mit Adresse, wenn du so willst. Dadurch ist die Effizienz bei kleinen Datenpaketen allerdings schlechter, und echtzeitkritische Anwendungen benötigen oft spezielle Quality-of-Service-Mechanismen. Dennoch stellt es die unverzichtbare Grundlage für moderne IIoT-Architekturen dar.

Netzwerkschicht

Diese auch als Netzzugangsschicht bezeichnete Schicht bildet die unterste Ebene des TCP/IP-Modells und umfasst sowohl physische Hardware als auch Protokolle für die direkte Datenübertragung. Im Gegensatz zu anderen Schichten ist sie bewusst offen und flexibel gestaltet, um verschiedene Übertragungstechnologien zu unterstützen. Zu den Standards gehören:

• Ethernet (IEEE 802.3) für kabelgebundene Netzwerke mit hohen Datenraten
• WLAN (IEEE 802.11) für drahtlose Kommunikation und spezielle Protokolle wie SLIP oder PPP für serielle Verbindungen.

Diese Schicht kümmert sich um die physische Übertragung von Bits, Medienzugriff, Kollisionsvermeidung und die Umwandlung von IP-Paketen in netzwerkspezifische Frames. Somit bildet sie die Brücke zwischen der logischen Adressierung der Internetschicht und den physikalischen Übertragungsmedien und ist entscheidend für die tatsächliche Implementierung von IoT-Netzwerken in unterschiedlichen Umgebungen.

Internetschicht

Die Internetschicht ist das Herzstück des TCP/IP-Modells. Sie ist primär für die netzwerkübergreifende Kommunikation verantwortlich. Ihr zentrales Protokoll ist IP (Internet Protocol), das in den Versionen IPv4 und dem neueren IPv6 existiert.
IP übernimmt die logische Adressierung der Geräte und das Routing, also die Bestimmung des optimalen Pfades für Datenpakete durch verschiedene Netzwerke. Es arbeitet verbindungslos und nach dem Best-Effort-Prinzip, ohne Garantien für Zustellung oder Reihenfolge.
Ergänzt wird IP durch das Internet Control Message Protocol (ICMP), das für Diagnose- und Fehlermeldungen zuständig ist und beispielsweise für Ping-Anfragen verwendet wird.
Das Address Resolution Protocol (ARP) übersetzt zwischen IP- und MAC-Adressen, während IGMP die Multicast-Kommunikation steuert.

Transportschicht

Im TCP/IP-Modell übernimmt die Transportschicht die Ende-zu-Ende-Kommunikation zwischen Quell- und Zielgeräten. Hier sind zwei Protokolle mit unterschiedlichen Eigenschaften zu finden: Transmission Control Protocol (TCP) und User Datagram Protocol (UDP).

• TCP etabliert eine zuverlässige, verbindungsorientierte Kommunikation mit Fehlererkennung, automatischer Wiederholung verlorener Pakete und Flusskontrolle. Dafür nutzt es einen Drei-Wege-Handshake zum Verbindungsaufbau und garantiert die korrekte Reihenfolge der Daten. Diese Zuverlässigkeit macht TCP ideal für Anwendungen wie Webseiten, E-Mail oder Dateiübertragungen, bei denen Datenintegrität schließlich entscheidend ist.
• UDP hingegen bietet eine verbindungslose, schnellere Alternative mit geringerem Overhead, verzichtet aber auf Garantien für Zustellung und Reihenfolge. Es eignet sich dementsprechend für echtzeitkritische Anwendungen wie Streaming, VoIP oder DNS-Abfragen, bei denen Geschwindigkeit wichtiger ist als absolute Zuverlässigkeit.

In industriellen Umgebungen können je nach Anforderung an Latenz und Datenintegrität beide Protokolle zum Einsatz kommen.

Anwendungsschicht

Die Applikationsschicht bildet die oberste Ebene des TCP/IP-Modells und dient daher als Schnittstelle zwischen Netzwerkdiensten und Anwendungen. Sie enthält eine Vielzahl spezialisierter Kommunikationsprotokolle für unterschiedliche Anwendungsfälle. Zu den gängigen Protokollen zählen:

• TELNET für virtuelle Terminals
• FTP für strukturierten Dateitransfer
• SMTP für E-Mail-Übertragung
  Mit der Entwicklung des Internets kamen weitere essentielle Protokolle hinzu, darunter:
• HTTP(S) für Webinhalte
• DNS zur Namensauflösung
• SNMP für Netzwerkmanagement

Im industriellen Kontext sind Kommunikationsprotokolle wie MQTT und OPC UA von besonderer Bedeutung, da sie für die Kommunikation in IIoT-Umgebungen optimiert sind. MQTT verwendet ein Publish-Subscribe-Modell, das besonders ressourcenschonend arbeitet. OPC UA ermöglicht einen standardisierten Informationsaustausch zwischen verschiedenen Industrie-Systemen.

IoT-Gateways als Cross-Layer-Komponente

Während das IoT-Gateway im Vier-Ebenen-Modell eindeutig der Datentransferebene zugeordnet werden kann, ist es im TCP/IP-Referenzmodell nicht so klar. Je nach Implementierung und Variante hat es ein Cross-Layer-Charakteristikum:

• Operiert gleichzeitig auf allen Schichten und führt dabei eine ganzheitliche Protokoll- und Datenkonvertierung durch.
• Nimmt schichtübergreifende Optimierungen vor (z.B. Anwendungslogik beeinflusst Transportprotokoll-Wahl)
• Übernimmt End-to-End-Verantwortung, von der physischen Konnektivität bis zur Anwendungslogik
• Trifft kontextbewusste Entscheidungen, die Informationen aus mehreren Schichten berücksichtigen

Die Funktion eines IoT-Gateways lässt sich meiner Meinung nach am besten an einem Beispiel erklären. Der Anbieter ThingsBoard hat dafür eine tolle Illustration erstellt. Auf der Homepage ist diese auch animiert dargestellt:

In Worten beschreibt das Unternehmen das IoT-Gateway wie folgt:

Das ThingsBoard IoT-Gateway ist eine Open-Source-Lösung, die es Ihnen ermöglicht, Geräte, die mit Legacy- und Drittsystemen verbunden sind, in ThingsBoard zu integrieren.

– ThingsBoard Inc.

Das IoT-Gateway findest du in der Abbildung oben eingekreist. Es bildet die entscheidende Brücke zwischen der Datenerfassungseben und höheren IT-Systemen, wodurch es ein wichtiger Baustein in der Datentransferebene für Produktionsdaten sein kann. Seine Hauptaufgabe besteht in der Protokollübersetzung, indem es zwischen verschiedenen Protokolltypen konvertiert und eine große Auswahl an Konnektoren bietet: Von älteren Feldbus-Protokollen wie Modbus oder PROFINET über modernen IoT-Protokollen wie MQTT oder OPC UA zu klassischen Internetprotokollen (HTTP/REST).

Die Implementierung von Gateways ist flexibel: Bei vorhandener IT-Infrastruktur können virtuelle Gateways auf Servern bereitgestellt werden, wobei die physische Anbindung der Endgeräte (WLAN oder LAN) unerheblich ist, da die Kommunikation auf Protokollebene über IP-Adressen erfolgt. Alternativ gibt es Hardware-Gateways, die direkt an Maschinen installiert werden können. Diese sind ideal für Umgebungen ohne ausgeprägte IT-Infrastruktur oder für abgelegene Standorte. Diese physischen Geräte sind oft industrietauglich gehärtet und mit speziellen Schnittstellen zur direkten Maschinenanbindung ausgestattet.

Die Bedeutung von IoT-Gateways für erfolgreiche IIoT-Implementierungen ist so groß, dass ich dem Thema einen eigenen Artikel widmen werde. Stay tuned 😊.

Drei praktische Tipps für deine Implementierung der Datentransferebene

Je nach Anwendungsfall gibt es sicherlich diverse Punkte zu beachten, um eine erfolgreiche Datentransferebene für Produktionsdaten zu realisieren. Die folgenden drei Tipps sind in meinen Augen jedoch grundlegend in jedem Fall.

1. Protokollauswahl an Anwendungsfall anpassen

Achte auf die Auswahl eines geeigneten Übertragungsprotokolle für deine Anforderungen: UDP für echtzeitkritische Daten, TCP für höchste Zuverlässigkeit, MQTT für ressourcenbeschränkte Sensoren und OPC UA für komplexe Maschinenanbindungen. Erstellen deshalb eine klare Protokoll-Strategie für verschiedene Datentypen in deiner Produktion.

2. Segmentierung des Netzwerks für Sicherheit und Performance

Teile dein Netzwerk in logische Segmente mit definierten Übergangspunkten zwischen OT und IT. Implementiere VLANs für verschiedene Anwendungsbereiche und industrielle oder Campus-Firewalls. Dies verbessert sowohl die Cybersecurity als auch die Netzwerkperformance durch reduzierten Datenverkehr.

3. Redundante Kommunikationswege für kritische Systeme

Implementiere für kritische Datenflüsse redundante Kommunikationspfade mit automatischem Failover. Kombiniere kabelgebundene mit drahtlosen Verbindungen oder setze mehrere Gateways ein. Definiere und teste außerdem regelmäßig deine Failover-Strategien, um Ausfälle zu vermeiden.

Mission Recap

Die Datentransferebene für Produktionsdaten ist die zweite Stufe meines Vier-Ebenen-Modells und bildet die digitalen Datenautobahnen deiner Smart Factory. Das TCP/IP-Referenzmodell mit seinen Schichten steht für mich dabei im Vordergrund. Damit ist ein zuverlässigen Informationsfluss in heterogenen IIoT-Umgebungen möglich. Die erste Schicht zum Netzzugang stellt physische Verbindungen her, die Internetschicht übernimmt mit IP die Adressierung, die darauf folgende Transportschicht bietet mit TCP/UDP verschiedene Zuverlässigkeitsstufen, und die Anwendungsschicht enthält mit MQTT und OPC UA industriespezifische Protokolle. Als Besonderheit zum Datentransfer sind IoT-Gateways erwähnenswert, denn sie fungieren als entscheidende Brücke in dieser Ebene.

Möchtest du deine Datentransferebene für deine Produktionsdaten optimieren? Analysiere die aktuellen Protokolle, überprüfen deine Netzwerksegmentierung und identifiziere kritische Datenflüsse, die Redundanz benötigen.

Welche Herausforderungen hast du bei der Implementierung deiner Datentransferebene erlebt? Teile gerne deine Erfahrungen in den Kommentaren. Im nächsten Artikel geht es weiter mit der dritten Ebene, die Datenhaltung.

Dein Hauke

Links zu den anderen Artikeln der Serie:

• IIoT-Komplexität beherrschen mit dem Vier-Ebenen-Modell
• Grundlagen der Datenerfassung und -umsetzung in der Smart Factory
• Datenhaltungsstrategien für IIoT-Anwendungen – Von der Feldebene bis zur Cloud