Wie sich Netzbetreiber auf den Vormarsch der Maschinen vorbereiten

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1 Auswirkungen des Internet der Dinge auf die Transportnetze Wie sich Netzbetreiber auf den Vormarsch der Maschinen vorbereiten Die heutigen Telekommunikationsnetze sind nicht für Anwendungsfälle des Internet der Dinge ausgelegt. Welche Auswirkungen wird es auf die Netze der Betreiber haben, wenn bis Milliarden Dinge mit ihren Netzen verbunden sind? 56 Detecon Management Report blue 1 / 2015

2 W enn man über das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) spricht, geht die Auffassung darüber, welche Geräte tatsächlich als Dinge betrachtet werden und somit auch die Anzahl der Dinge, die mit dem Internet jetzt schon verbunden sind und künftig verbunden sein werden, weit aus einander. Im Folgenden konzentrieren wir uns auf innovative IoT-Anwendungsfälle wie implantierbare Herzmonitore, Biochip- Transponder bei Nutztieren, Fahrzeuge mit eingebauten Sensoren oder intelligente Thermostatsysteme. Aus diesem Grund bleiben Endgeräte wie Smartphones, Tablets und Laptops unberücksichtigt. Wir gehen auf die Netzanforderungen ein, die die IoT-Anwendungsfälle dem Transportnetz abverlangen, beispielsweise hinsichtlich Adressierung, Sicherheit, Verkehr und Servicequalität. Betreiber müssen ihre Netze für diese Anforderungen rechtzeitig vorbereiten, um das Umsatzpotenzial zu nutzen, das die IoT-Anwendungsfälle versprechen. Die Adressierung des Internet der Dinge Das gegenwärtig weit verbreitete Internet-Protokoll Version 4 (IPv4) wurde vor langer Zeit entwickelt mit der Folge, dass der Adressraum jetzt allmählich ausgeschöpft ist. Weltweit gibt es keine nicht zugewiesenen IPv4-Subnetze mehr. Um der steigenden Anzahl an Geräten, die an das Netz angebunden sind, Adressen zuweisen zu können, wurde das Internet-Protokoll Version 6 (IPv6) entwickelt. IPv6 bietet einen riesigen Adressraum * Teil des Internet, das von einem Netzbetreiber betrieben wird. von zirka 3, eindeutigen IP-Adressen, und selbst wenn wir sämtliche Adressen abziehen, die von Standardisierungsgremien reserviert sind, bleiben noch etwa 4, Adressen, die für Endsysteme, die mit dem Internet verbunden sind, genutzt werden können. Auch wenn die Weltbevölkerung im Jahr 2020 auf acht Milliarden Menschen angewachsen sein wird, wird jeder Mensch weltweit zirka 575 Millionen IPv6-Adressen bekommen. Das ist der Grund, warum das IPv6-Protokoll für das Internet der Dinge das Protokoll der Wahl sein wird. Derzeit liegt das Problem darin, dass die Internet Provider IPv6 nur sehr langsam einführen. Die RIPE-Statistik zeigt, dass zum jetzigen Zeitpunkt nur 18 Prozent der autonomen Systeme* IPv6 eingeführt haben. Aus Abbildung 1 geht ebenfalls deutlich hervor, dass die Betreiber nach einer Wachstumsphase der IPv6-Einführung während der Jahre 2010 bis 2012, die durch den zunehmend knappen IPv4-Adressraum ausgelöst wurde, ihre Bemühungen zur Einführung von IPv6 gedrosselt haben. Lateinamerika bildet aufgrund des schnellen Internetwachstums und der fehlenden freien IPv4-Ressourcen die einzige Ausnahme. Die tatsächliche Situation hinsichtlich der IPv6-Einführung ist noch gravierender, weil die RIPE-Statistik nur die Anzahl der IPv6-Subnetze ausweist, die von Organisationen erworben wurden, während aus Googles Statistik hervorgeht, dass nur Abbildung 1: Prozentsatz der Netze (ASes), die ein IPv6-Präfix ankündigen 28 % 26 % 24 % 22 % 20 % = EU = USA = Lateinamerika und Karibik = Asien-Pazifik = Afrika = Alle Länder 18 % 16 % 14 % 12 % 10 % 8 % 6 % 4 % 2 % 0 % Quelle: RIPE 57 Detecon Management Report blue 1 / 2015

3 4,5 Prozent der Besucher der Google-Website IPv6-Adressen verwenden. Es liegt daher auf der Hand, dass Telekommunikationsbetreiber und Internet Service Provider stärkere Anstrengungen zur Einführung des IPv6-Protokolls unternehmen müssen, um ihre Netze für das IoT-Zeitalter zu rüsten. Implikationen in Bezug auf Sicherheit Auch wenn das Adressenproblem mit dem IPv6-Protokoll gelöst werden kann, erfordert die Nutzung von IPv6 gleichzeitig ein stärkeres, verlässlicheres und komplexeres Sicherheitsmodell als das zurzeit verwendete. Im Folgenden geht es um die Sicherheit, die das Netz und nicht die Anwendungsschicht bietet. Die derzeitige Beschränkung des IPv4-Adressraums führte zur Entwicklung der nachstehend üblichen Vorgehensweise, die in Kundennetzwerken zur Anwendung gelangt: Der Provider weist dem Kunden eine öffentliche Adresse zu, während der Kunde in seinem privaten Umfeld mit seinem Internetzugangsgerät (IAD) private IP-Adressen für seine Geräte verwendet. Eine Network Address Translation(NAT)-Funktion im IAD übersetzt dynamisch private in öffentliche IP-Adressen. Während NAT als Verfahren zur Überwindung des eingeschränkten IPv4-Adressraums entwickelt wurde, wird es fälschlicherweise auch als Sicherheitstool betrachtet, weil es die Topologie des privaten Kundennetzwerks verbirgt und die Verbindung vom Internet zum privaten Netzwerk einschränkt. Fälschlicherweise wird NAT als Sicherheitstool wahrgenommen. Aufgrund seiner Ubiquität und Einfachheit präferieren Betreiber und Nutzer jedoch NAT statt Firewalls, die verlässlicher, aber gleichzeitig auch komplizierter zu handhaben sind. Ein weiterer Aspekt bei NAT ist, dass es Probleme für alle Protokolle verursacht, die eine direkte Verbindung zwischen den Internet-Hosts, zum Beispiel VoIP-Gespräche und -Signalisierung, Internet-Video-Anrufen oder unterschiedlichen Cloud- Synchronisierungsprotokollen, erfordern. Entwickler von Internet-Anwendungen müssen große Anstrengungen unternehmen, um unterschiedliche Methoden zur Überwindung dieser NAT- Hindernisse zu entwickeln. Dies führt dazu, dass ihre Lösungen teurer, weniger skalierbar und weniger zuverlässig sind. Mit der Entwicklung des IPv6-Protkolls fiel das NAT-Verfahren weg, weil IPv6 jedem Nutzer ausreichend öffentliche Adressen zuweisen kann. NAT bedeutet ein einfacheres Applikationsdesign für viele IoT-Anwendungsfälle, aber gleichzeitig erfordert es ein besseres Sicherheitskonzept, um die Verbindung zu und von den mit dem Internet verbundenen Dingen zu kontrollieren. Dies ist insbesondere für viele IoT-Anwendungsfälle wichtig, da sie die Kontrolle kritischer Infrastrukturen (Smart City, Smart Energy) oder die Überwachung sensibler Daten ermöglichen. IADs mit IPv6-Support verfügen heute bereits über eingebaute Firewalls. Konfiguration und Handhabung jedes dieser Smart- Home-Geräte wie Glühbirnen, Kaffeemaschinen, Kühlschrank, Klimaanlage oder Überwachungskamera sind jedoch für den typischen Nutzer zu kompliziert. Für den Internet Service Provider liegt darin die Chance, den Nutzer von dieser Bürde zu befreien und die Netzsicherheitsregeln für das Heimnetzwerk des Kunden zu managen. Um dies zu tun, muss der Provider die Geräte kennen, die im Netzwerk des Kunden eingesetzt sind. Anderseits ist der typische Kunde nicht mit allen technischen Einzelheiten seiner Geräte vertraut, weil er diese einfach nur nutzen, aber nicht verwalten will. Heute gibt es neue Technologien, die dieses Dilemma lösen und es dem Kunden ermöglichen, sein Gerät mit dem Heimnetzwerk über Plug-and-Play zu verbinden, und es gleich zeitig dem Internet Service Provider erlauben, alle erforderlichen Sicherheitsanforderungen für das installierte Gerät automatisch zu empfangen und geeignete Sicherheitsregeln auf dem IAD des Kunden und/oder den Edge Devices des Betreibernetzwerks zu implementieren. Diese Technologie wird als Software Defined Networking bezeichnet. Verkehrswachstum und Qualitätsanforderungen Aus sämtlichen Prognosen geht deutlich hervor, dass die Anzahl der mit dem Internet verbundenen Geräte die Anzahl der Menschen, die online sind, sehr bald übersteigen wird. In 2020 werden wahrscheinlich fünfmal mehr Geräte als Nutzer vernetzt sein, wenn man das Wachstum der Weltbevölkerung und die optimistische Annahme berücksichtigt, dass 75 Prozent der Bevölkerung bis 2020 online sind. Dieses eindrucksvolle Wachstum der vernetzten Dinge ist jedoch nicht der zentrale Treiber des Internet-Verkehrswachstums bis 2020, wie sich anhand einer einfachen Berechnung aufzeigen lässt: Die meisten IoT-Anwendungsfälle verfügen über integrierte Sensoren oder Aktuatoren, die den Datenverkehr mit zirka 5 bis 15 Kilobytes pro Minute übertragen, wohingegen die durchschnittliche Hauptverkehrsstunde pro Internetnutzer eine Bandbreite von 100 bis 200 Kilobit pro Sekunde aufweist. Abbildung 2 zeigt die auf diesen Annahmen basierende Entwicklung der vernetzten Nutzer, Dinge und des Verkehrs. 58 Detecon Management Report blue 1 / 2015

4 IoT-Anwendungsfälle werden den Internet-Verkehr in den kommenden Jahren wahrscheinlich nicht beschleunigen, aber sie erhöhen die Qualitätsanforderungen für Transportnetze. Anwendungsfälle wie die Überwachung von Herzschritt machern, Waldbränden, die frühzeitige Erdbebenerkennung oder die Überwachung der Energie- oder Gasindustrie stellen hohe Anforderungen an Netzqualitätsparameter, insbesondere hinsichtlich Paketverlust oder Latenz. Die derzeitigen Netze sind für Breitbandnutzer und in erster Linie für Best-Effort-Verkehr und Kostenoptimierung konzipiert. Auch wenn für Video- Streaming oder Sprachanwendungen eine Verzögerung von 100 Millisekunden ausreichend sein kann, erfordern viele IoT- Anwendungsfälle eine Latenz von nur wenigen Milli sekunden. Bei der Entwicklung ihrer Netze sollten die Betreiber diese erweiterten Qualitätsanforderungen berücksichtigen und zum Beispiel Edge Clouds dezentrale Netz-, Rechner- und Speicherressourcen in ihre künftigen Netzwerkarchitekturen einbinden. Da IoT-Anwendungsfälle generell ein hohes Maß an die Flexibilität der Transportnetze fordern, muss die Netzqualität ebenfalls flexibel und auf Abruf verfügbar sein. Zusätzliche Qualitätsanforderungen resultieren ebenfalls aus der Entwicklung der traditionellen Breitbanddienste für Netzbetreiber. Cloudbasierte TV- oder Gaming-Dienste erfordern ein hohes Maß an Interaktivität und eine geringe Latenz. Daher steht die Transportnetzqualität bereits ganz oben auf der Agenda der Betreiber. Diese können Synergien nutzen, wenn die Transportqualität für Breitbanddienste und IoT-Anwendungsfälle verbessert wird. Doch selbst wenn die eigenen Netze der Betreiber Qualität liefern, reicht dies nicht aus, um die Anforderungen der IoT- Anwendungsfälle zu unterstützen. Sensoren sind weltweit verteilt und mit den Netzen unterschiedlicher Betreiber verbunden. Wenn die Betreiber das Umsatzpotenzial des qualitätsgarantierten Transports für Smart City-, Smart Environment-, industrielle Steuerungs- oder ehealth-applikationen nutzen wollen, muss diese Netzqualität Ende-zu-Ende verfügbar sein. Diese aus den IoT-Anwendungsfällen resultierende Anforderung für Ende-zu-Ende-Qualität könnte sich als neuer Treiber für Inter-Operator-Vereinbarungen über Netzqualität erweisen. Während des letzten Jahrzehnts waren die Inter-Operator-Vereinbarungen über die Lieferung einer Ende-zu-Ende-Qualität nicht besonders erfolgreich: Die Herausforderung, Transportqualität für Video-Streaming-Applikationen zu liefern, wurde zum Beispiel von CDN-Providern und nicht von Netzbetreibern gelöst. Doch insbesondere für Applikationen, die anfällig für Paketverluste sind und kein großes Verkehrsaufkommen generieren, können Inter-Operator-Qualitätsvereinbarungen eine gute Lösung sein. Betreiber sollten schnell den Bereich Endezu-Ende-Qualität besetzen, weil sonst die Gefahr besteht, dass die Applikationsebene eine Lösung liefern. Abbildung 2: Wachstum der mit dem Internet verbundenen Dinge und Nutzer Mit dem Internet verbundene Nutzer/Dinge in Milliarden Teil des IoT-Verkehrs = Mit dem Internet verbundene Nutzer = Mit dem Internet verbundene Dinge = Teil des Geräte-Verkehrs 26,3 10 % 9 % 8 % ,4 6,9 3,0 3,4 3,8 4,4 5,0 5,6 3,5 0,9 1, % 6 % 5 % 4 % 3 % 2 % 1 % 0 % Quelle: Gartner, UN, Detecon 59 Detecon Management Report blue 1 / 2015

5 Die Lieferung von Netzqualität für IoT-Anwendungsfälle ist für Betreiber sowohl ein Erfordernis als auch eine Umsatzchance, wobei die zusätzliche Lieferung von Netzwerkdiensten eine weitere Möglichkeit darstellt. Da viele IoT-Anwendungsfälle Sensoren oder Aktuatoren mit Einschränkungen hinsichtlich des Energieverbrauchs und der Funktionen beinhalten, können die Betreiber mehrere Dienste wie standortbezogene Dienste, Synchronisierungsdienste oder Notrufdienste zur Unterstützung der diversen IoT-Anwendungsfälle anbieten. Wenn diese Funktionen durch das Netz verfügbar gemacht werden, dann können die Sensoren, zum Beispiel durch Ent fernung der GPS- Module, vereinfacht und Kosten und Energieverbrauch entsprechend optimiert werden. Das Internet der Dinge und Software Defined Networking Wie soll das IoT-Netzwerk aussehen? Kurz zusammengefasst: Das Netzwerk, das die Anforderungen des Internet der Dinge erfüllt, muss agil sein, um Verbindungen, Management und Kontrolle der diversen Dinge, die über unterschiedliche Zugangstechnologien verbunden sind, mit Plug-and-Play-Mechanismen zu ermöglichen. Zusätzlich zu der gestiegenen Zahl an Endpunkten (IPv6-fähig) müssen die Verbindungen zwischen den Endpunkten flexibel und auf Abruf eingerichtet werden, und zwar unter Verwendung unterschiedlicher Kommunikationsmodelle, die sich von Hub and Spoke-Modellen für Thin Clients über lokale Vorverarbeitung bis hin zu Peer-to-Peer-Modellen für Smart Clients erstrecken. Ein weiterer zentraler Aspekt des IoT-Netzwerks ist die Interoperabilität, die die Integration von Geräten unterschiedlichster Hersteller ermög licht. Einige der IoT-Anwendungsfälle stellen zusätzliche Anforderungen an das Netz beispielsweise eine stärkere Zuverlässigkeit sowie erhöhte Sicherheit und Datenschutz bei Anwendungsfällen aus den Bereichen Gesundheitswesen und Sicherheit. Sind die Netze der Betreiber für das Internet der Dinge gerüstet? Die bestehenden Netze weisen keine ausreichende Flexibilität auf, um sich den Anforderungen schnell anzupassen, die sich aufgrund ändernder Netzanforderungen, innovativer Service Offerings und der konsequenten Ende-zu-Ende-Betrachtung, um das gesamte Netz zu managen, ergeben. Es müssen neue Netztechnologien untersucht werden, damit das Internet der Dinge Realität werden kann, ohne dass für die bestehenden Netze zu hohe Belastungen entstehen. Software Defined Networking (SDN) kann die erforderliche Flexibilität, Interoperabilität und Netzwerkprogrammierung liefern. SDN zeichnet sich aus durch die Trennung von Weiterleitung und Kontrolle des Verkehrs, die Existenz eines logisch zentralisierten Netzmanagements und dadurch, dass das Netzwerk über offene APIs zur Anwendungsschicht verfügt. Die zentrale anbieterunabhängige Kontrolle des gesamten Netzwerks von einem einzelnen logischen Punkt ermöglicht eine erhebliche Vereinfachung von Netzwerkdesign und -betrieb. Im Gegensatz zur gegenwärtig vorherrschenden Konfiguration auf Geräteebene ermöglicht die Ende-zu-Ende-Netzwerkansicht darüber hinaus die Bereitstellung von Diensten Ende-zu-Ende mit der erforderlichen Sicherheit und den Servicequalitätsparametern (QoS). Aufgrund der permanent steigenden Anzahl der IoT-Anwendungsfälle werden sich neue Umsatzchancen für Telekommunikationsunternehmen und in noch stärkerem Maße für Betreiber ergeben, die in der Lage sind, innovative Dienste rechtzeitig anzubieten. SDN liefert einen Mechanismus, um Netzwerkressourcen schnell zu konfigurieren, zu verwalten und zu optimieren, und zwar mit Hilfe von automatisierten SDN- Anwendungen, die auch wieder verwendet oder bei Bedarf leicht erzeugt werden können. Eine zu SDN komplementäre Technologie, die zur Optimierung der Betreibernetze beitragen kann, um die Anforderung des IoT zu erfüllen, ist die Virtualisierung von Netzfunktionen (NFV). NFV wendet die weiterentwickelte IT-Virtualisierungstechnologie auf Netzwerkfunktionen an, um zu ermöglichen, dass statt proprietärer Plattformen standardisierte IT-Server, Switches und Speicher verwendet werden. Dies ermöglicht sowohl die Skalierung der Kapazität als auch die Mobilität von Netzwerkfunktionen. Diese Flexibilität in der Dimensionierung und Lokalisierung von Netzwerkfunktionen wird sich für Betreiber als leistungsstarkes Tool erweisen, um die Anforderungen des Internet der Dinge erfüllen zu können. Dr. Stefan Schnitter ist Partner im Bereich International Telecommunications mit langjähriger, internationaler Erfahrung auf dem Gebiet IP-basierter Netze und Dienste. Der Schwerpunkt seiner Beratung umfasst Strategien für den Breitbandausbau für Festnetz- und Mobilfunk betreiber sowie die Architektur, Planung und Implementierung der Netze für Telekommunikationsunternehmen weltweit. Vera Markova und Alexey Gumirov sind Senior Consultants aus dem Bereich International Telecommunications. 60 Detecon Management Report blue 1 / 2015