IIoT: Anforderungen an Server

Beim Industrial Internet of Things (IIoT) unterscheiden sich die Server-Anforderungen von der klassischen IT beträchtlich. Der folgende Artikel zeigt, was es bei der Planung von IIoT-Systemen hardwareseitig zu beachten gilt.

Das Industrial Internet of Things (IIoT) – die „vierte industrielle Revolution“ – vernetzt Maschinen, macht sie intelligenter und führt so zu sprunghaften Produktivitätssteigerungen. Grundsätzlich ist das IIoT ein Netzwerk von Geräten und Maschinen, die durch Kommunikationstechnologien verbunden sind. Dabei stellt sich die Frage, welchen Anforderungen Server im Industrial Internet of Things gerecht werden müssen.

Das IIoT verbindet dabei zwei Welten: Die klassische Welt der industriellen Produktion mit ihren Steuerungsanlagen und Prozessrechnern und die Welt der IT – also Client-Server-Computing, Virtualisierung und Internet- und Cloud-Technologie. Dies führt zu Systemen, die wertvolle neue Erkenntnisse sammeln und sie gleichzeitig überwachen, analysieren und austauschen. Dadurch sind in Industrieunternehmen schnellere und intelligentere Geschäftsentscheidungen möglich.

IIoT-Anforderungen an Server-Hardware:

• Datenerfassung, -Verarbeitung und -Speicherung
• Konnektivität
• Stromversorgung
• IT-Sicherheit
• Physische Sicherheit
• Verfügbarkeit

Anforderungen an die Datenerfassung, -Verarbeitung und -Speicherung

In einer Branche, in der die Anzahl der angeschlossenen Maschinen steigt, steigt auch die Menge der Betriebsdaten, die online gehen und analysiert und gespeichert werden müssen. Typischerweise sammeln IIoT-Geräte durch Sensoren die Informationen aus der physikalischen Welt und wirken durch Aktoren auf sie zurück. Die Anzahl der angeschlossenen Sensoren, die Geschwindigkeit, mit der die Daten erzeugt werden, und die Auflösung der erzeugten Daten definieren das zu verarbeitende Datenvolumen. Dies wirkt sich auch auf die Anforderungen an die Datenspeicherung und Datenverarbeitung aus.

Die auf einer Maschine gespeicherte Datenmenge hängt weitgehend davon ab, wie oft sich die Maschine oder der Endpunkt verbindet, um die Daten an die nachgelagerten Prozesse zu übertragen. Eine Maschine, die ein geringes Volumen an Rohdaten erzeugt, benötigt weniger Speicherplatz und Strom für die Datenverarbeitung als eine Maschine, die stoßweise innerhalb kurzer Zeit große Datenmengen erzeugt. All dies erfordert Prozessor- und Speicherplatz.

Wo die Verarbeitung der Daten letztlich stattfindet, hängt stark vom Einsatzzweck ab. Einer der wichtigsten ist Predictive Maintenance. Dabei werden Sensordaten dazu verwendet, um vorauszusagen, wann ein Ausfall von Teilen der Produktionskette droht. Hier ist es sinnvoll, die nötige Rechenleistung für die Algorithmen ebenfalls produktionsnah vorzuhalten, was unter Umständen sehr leistungsfähige Server erfordert.

Konnektivität

Die Konnektivitätsanforderungen an das Netzwerk beinhalten, wie weit das Signal übertragen werden muss und wie hoch die projizierte Rate und das Volumen der zu übertragenden Daten ist. Um die typischen Anforderungen an massiven Einsatz, höchste Zuverlässigkeit und geringe Latenzzeiten zu erfüllen, sind Industrial Ethernet, Industrial WLAN, IPv6, Mobile Broadband (LTE, NB-1oT5G), MultiFire etc. erforderlich. Die Serverhardware kann über eine integrierte drahtlose Kommunikation verfügen oder diese Funktionalität muss mit einem Modul oder einer Karte ergänzt werden. Je nach Einsatzort können zusätzlich Verstärker und HF-Abschirmungen erforderlich sein.

Stromversorgung

Alle IIoT-Endpunkte müssen mit Strom versorgt werden, damit sie funktionieren. Wenn bei portablen Geräten kein Anschluss ans Stromnetz möglich ist oder ein Netzteil zu groß wäre, kann die Stromversorgung mit Akkus, Superkondensatoren oder bei sehr geringem Stromverbrauch auch mit Energy Harvesting sichergestellt werden. Nur sehr optimistische Systemarchitekten gehen davon aus, dass die IIoT-Devices die Daten direkt in die Public Cloud laden, wo sie weiterverarbeitet werden. In der Regel muss man also auch lokale Server mit Strom versorgen. Auch hier kann es nötig sein, mit Akkus zu arbeiten oder Lösungen zu entwickeln, die von den typischen Ansätzen im Serverraum abweichen. Je stromsparender ein Server ist, um so einfacher findet sich auch unter schwierigen Verhältnissen eine zuverlässige Lösung für die Energieversorgung.

IT-Sicherheit

Sicherheit ist innerhalb der IIoT-Umgebung sehr wichtig und muss in jeder Phase der Entwicklung und des Designs berücksichtigt werden. IIoT-Systeme bilden im Vergleich zu herkömmlichen IT-Systemen riesige Netzwerke. Sie müssen sie miteinander und auch mit dem Unternehmen kommunizieren, meist über eine große Entfernung. Daher muss man das System, die Kommunikation und die Daten sichern. Die Härtung des Netzwerks ist wichtig. Außerdem werden genügend Hauptspeicher und Leistung benötigt, um Daten mit der Geschwindigkeit zu verschlüsseln und zu entschlüsseln, mit der sie gesendet und empfangen werden.

IIoT ist ohne Cloud oder zumindest Cloud-fähige Infrastruktur nicht denkbar. Aber bei erfolgreichen Angriffen auf die Cloud-Provider werden bei IIoT geschäftskritische Informationen zum öffentlichen Wissen. Und darüber hinaus erlauben es Sicherheitslücken unter Umständen sogar, die Produktion direkt lahmzulegen. Die Architektur von IIoT-Systemen sollte also nur eine lose Cloud-Kopplung vorsehen und es erlauben, auch ohne Zugang in die Public Cloud zu funktionieren. Aus diesem Grund werden also vor Ort weiterhin Server benötigt.

Physische Sicherheit

Da sich diese in der Regel außerhalb der geschützten RZ-Umgebung befindet, sind auch Aspekte der physischen Sicherheit zu berücksichtigen. Physischer Zugriffsschutz, Brandschutz und Schutz vor Wasserschäden sind dabei die offensichtlichen Punkte. Je nach Umgebung können aber auch „exotischere“ Schutzziele wie Explosionsschutz oder Säureschutz hinzukommen. Je nach Anforderung sind als spezielle Chassis-Arten erforderlich. Eine Alternative besteht darin, Mikrorechenzentren für mehrere Server einzurichten, die entsprechende Schutz-Zertifikate bieten. Thomas-Krenn hat beispielsweise zwei dieser Compact Datacenter im Angebot, die die IT wirksam vor äußeren Einflüssen schützen und für die nötige Klimatisierung und Kühlung der Server sorgen.

Verfügbarkeit

Bei einer Hochverfügbarkeits-Anforderung benötigen Sie in der Regel mindestens zwei Server, so dass, wenn einer ausfällt, der andere Server die Datenerfassung übernimmt und es nur zu einem geringen oder gar keinem Datenverlust kommt. Abgesehen davon sollten die Server mit redundanter Stromversorgung und gegebenenfalls auch Hot-Swap-fähigen, redundantem Storage konfiguriert sein. Dies ist wichtig, um sicherzustellen, dass ein einfacher Festplattenausfall oder Ausfall der Stromversorgung nicht dazu führen, dass die gesteuerte Maschine komplett ausfällt und damit unter Umständen die gesamte Produktionskette lahmlegt.

Individualität ist Trumpf

All diese Anforderungen zeigen, dass IIoT auch bei der Server-Ausstattung mehr verlangt als Hardware, die für Rechenzentren oder Serverräume konzipiert wurde. Es ist also darauf zu achten, dass der Server-Hersteller über ausreichend Erfahrung und Kompetenzen im IIoT-Bereich verfügt. Hardware-Hersteller sollten deshalb frühzeitig in die Planungsphase der IIoT-Infrastruktur einbezogen werden.