Was ist ein IoT-Betriebssystem?

Im Unternehmenssektor besteht ein ständiger Drang, neue Wege zur Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit und zur Förderung des Wachstums zu finden. Dies hat zu einer raschen Expansion des Marktes für Geräte des Internets der Dinge (IoT) geführt. Da Unternehmen zunehmend versuchen, die Leistungsfähigkeit des IoT zu nutzen, um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern und ihr Wachstum zu fördern, steigt auch die Nachfrage nach IoT-Betriebssystemen rapide.

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Was ist ein IoT-Betriebssystem?

Ein IoT-Betriebssystem oder IoT-OS stellt die grundlegende Schicht bereit, über die IoT-Geräte miteinander und mit dem größeren Netzwerk kommunizieren können.

Einfach ausgedrückt handelt es sich um das Software-Betriebssystem, das IoT-Geräte antreibt. Es ermöglicht Geräten, sich mit dem Internet zu verbinden und miteinander zu interagieren. Außerdem stellt es eine Plattform für die Entwicklung von Anwendungen bereit, die auf diesen Geräten ausgeführt werden können.

Warum IoT-Betriebssysteme wichtig sind

IoT-Betriebssysteme sind entscheidend, um eine nahtlose Vernetzung und Kommunikation von IoT-Geräten zu gewährleisten. Herkömmliche Betriebssysteme wie Windows oder iOS wurden nicht für die spezifischen Anforderungen und Möglichkeiten von IoT-Geräten entwickelt. Ihnen fehlt häufig die notwendige Unterstützung für geringen Energieverbrauch, begrenzten Speicher und effiziente Datenverarbeitung, die IoT-Geräte benötigen.

Der Einsatz eines speziell für IoT-Geräte entwickelten Betriebssystems ermöglicht maximale Effizienz und Optimierung. Er ermöglicht die reibungslose Integration und Kommunikation zwischen verschiedenen Arten von IoT-Geräten und schafft so eine nahtlosere und stärker vernetzte Nutzererfahrung. Außerdem können IoT-Geräte damit auch mit begrenzten Ressourcen wie wenig Energie und Speicher effektiv funktionieren.

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So funktionieren IoT-Betriebssysteme

IoT-Betriebssysteme sind leichtgewichtig und effizient konzipiert, sodass sie auf einer Vielzahl von Geräten eingesetzt werden können – von Wearables bis hin zu Haushaltsgeräten. Eine der wichtigsten Funktionen eines IoT-Betriebssystems ist die Unterstützung von Over-the-Air- (OTA-)Updates. Damit können Geräte drahtlos aktualisiert werden, ohne dass ein manueller Eingriff erforderlich ist.

IoT-Betriebssysteme bieten typischerweise eine Reihe von Kerndiensten, die für vernetzte Geräte unerlässlich sind. Dazu gehören Geräteerkennung und -verwaltung, Sicherheit, Datenverwaltung und Konnektivität.

Die Geräteerkennung ist der Prozess, durch den Geräte in einem Netzwerk einander finden und identifizieren können. Dies ist wichtig, weil Geräte dadurch miteinander verbunden werden und Daten austauschen können.

Kommunikationsprotokolle sind die Regeln, die festlegen, wie Geräte miteinander kommunizieren. Es gibt viele verschiedene Arten von Kommunikationsprotokollen, aber zu den in IoT-Netzwerken am häufigsten verwendeten gehören Bluetooth, Zigbee und Z-Wave. Die Konnektivität ermöglicht Geräten die Kommunikation untereinander und mit Back-End-Systemen.

Auch die Sicherheit ist ein großes Anliegen bei IoT-Netzwerken. Da diese Netzwerke aus miteinander verbundenen Geräten bestehen, sind sie angreifbar. Um dem entgegenzuwirken, müssen IoT-Betriebssysteme über integrierte Sicherheitsfunktionen verfügen, die Daten schützen und unbefugten Zugriff auf Geräte verhindern können.

Eine weitere zentrale Aufgabe, die IoT-Betriebssysteme bewältigen können müssen, ist die Datenverwaltung. Da IoT-Geräte große Datenmengen erzeugen, müssen diese Daten irgendwo gespeichert werden, damit später darauf zugegriffen und sie analysiert werden können. Zur Datenverwaltung gehören auch Aufgaben wie Datenbereinigung und Datenaggregation.

IoT-Betriebssysteme sind auf einen effizienten Speichereinsatz ausgelegt, da IoT-Geräte häufig nur über begrenzte Speicherressourcen verfügen. Typischerweise verwendet ein IoT-Betriebssystem nur einige hundert Kilobyte bis wenige Megabyte an Arbeitsspeicher (RAM) und Nur-Lese-Speicher (ROM).

Von IoT-Betriebssystemen verwendete Designtechniken

Um Effizienz und Leistung zu optimieren, setzen IoT-Betriebssysteme häufig Techniken wie Echtzeitverarbeitung und modularen Aufbau ein. Die Echtzeitverarbeitung ermöglicht die Erledigung von Aufgaben innerhalb bestimmter Zeitvorgaben, während der modulare Aufbau das Betriebssystem leichtgewichtig hält, indem nur notwendige Komponenten enthalten sind.

Im Folgenden werden weitere gängige Designstandards aufgeführt.

Gängigste Architektur

Monolithische RTOS-Architekturen oder Mikro kernel-RTOS-Architekturen (RTOS steht für Echtzeitbetriebssysteme) sind die am häufigsten in IoT-Betriebssystemen verwendeten Architekturen. Ein monolithischer Kernel ist ein einzelnes großes Programm, das den gesamten zum Betrieb des Systems erforderlichen Code enthält. Ein Mikrokernel ist ein kleines Programm, das nur den wesentlichen zum Betrieb des Systems erforderlichen Code enthält.

Der Vorteil eines Mikrokernels besteht darin, dass er modularer und leichter zu debuggen und zu erweitern ist. Der Nachteil ist, dass er aufgrund der höheren Anzahl von Kontextwechseln, die zur Ausführung verschiedener Aufgaben erforderlich sind, langsamer als ein monolithischer Kernel sein kann.

Scheduler

IoT-Betriebssysteme verwenden entweder kooperative oder präemptive Scheduler. Ein kooperativer Scheduler teilt die CPU-Zeit (CPU steht für Central Processing Unit) gleichmäßig zwischen den Aufgaben auf. Ein präemptiver Scheduler weist die CPU-Zeit auf Grundlage von Prioritätsstufen zu.

Präemptive Scheduler sind effizienter, da sie Aufgaben mit hoher Priorität Vorrang vor Aufgaben mit niedriger Priorität einräumen. Allerdings kann ihre korrekte Implementierung aufgrund der notwendigen Synchronisierung zwischen den Aufgaben schwieriger sein.

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Programmiermodelle

Die drei gängigsten Programmiermodelle in IoT-Betriebssystemen sind ereignisgesteuerte Protothreads, Multithreading und ereignisgesteuertes Singlethreading.

Ereignisgesteuerte Protothreads sind leichtgewichtige Threads, die durch Ereignisse wie Interrupts oder Nachrichten von anderen Threads aktiviert werden. Multithreading ermöglicht die gleichzeitige Ausführung mehrerer Threads auf einem einzelnen Prozessor. Beim ereignisgesteuerten Singlethreading muss immer nur ein Thread ausgeführt werden, es kann jedoch schnell auf Ereignisse reagieren, indem die aktuelle Aufgabe angehalten und später fortgesetzt wird.

Zielgeräteklasse

IoT-Betriebssysteme können anhand der von ihnen unterstützten Geräte in drei Kategorien eingeteilt werden: 0, 1 oder 2. Geräte der Klasse 0 sind einfache Geräte mit begrenzten Ressourcen, etwa Sensoren oder Aktoren. Geräte der Klasse 1 sind komplexere Geräte mit mehr Ressourcen, etwa Steuerungen oder Gateways. Geräte der Klasse 2 sind leistungsfähige Geräte mit noch mehr Ressourcen, etwa Server oder PCs.

Lizenzierungsaspekte bei IoT-Betriebssystemen

Die Lizenzierungsvorschriften für IoT-Betriebssysteme können je nach vertikaler Anwendung variieren. Avioniksysteme müssen beispielsweise die Richtlinien DO-178B befolgen, während industrielle Steuerungssysteme die Norm IEC 61508 erfüllen müssen. Medizinische Geräte werden durch ISO 62304 reguliert, und für Transport- und Nuklearsysteme gelten zusätzliche Anforderungen an die SIL3-/SIL4-Konformität mit IEC. Entwickler von IoT-Betriebssystemen müssen diese unterschiedlichen Lizenzierungsvorschriften kennen, um sicherzustellen, dass ihre Produkte konform sind.

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Beispiele für IoT-Betriebssysteme

Im Folgenden finden Sie 10 Beispiele für beliebte IoT-Betriebssysteme:

• Nucleus RTOS: Das Nucleus RTOS von Siemens ermöglicht Systementwicklern, die komplexen Anforderungen fortschrittlicher Embedded-Designs zu erfüllen. Mit umfangreichen Kernel-Funktionen und Werkzeugen eignet sich Nucleus ideal für Anwendungen, bei denen ein skalierbarer Footprint, Konnektivität, Sicherheit, Energiemanagement und deterministische Leistung unerlässlich sind.
• TinyOS: TinyOS ist ein quelloffenes, BSD-lizenziertes Betriebssystem für drahtlose Geräte mit geringem Energieverbrauch, wie sie etwa in Sensornetzwerken eingesetzt werden.
• Amazon FreeRTOS: Amazon FreeRTOS ist ein sicheres und vollständig verwaltetes IoT-Betriebssystem, das eine schnelle und einfache Anwendungsentwicklung ermöglicht. Es unterstützt Konnektivitätsprotokolle, Over-the-Air-Updates und Industriestandards wie TLS 1.2.
• Windows 10 IoT: Das IoT-Betriebssystem Windows 10 IoT von Microsoft bietet robuste Sicherheitsfunktionen und unterstützt verschiedene Hardwareplattformen, darunter Arm-Prozessoren und Raspberry-Pi-Boards.
• Tizen: Tizen ist ein Linux-basiertes quelloffenes Betriebssystem für Geräte wie Fernseher, Wearables, Mobilgeräte und mehr. Es wurde von der Linux Foundation und Samsung entwickelt.
• Wind River VxWorks: VxWorks ist ein Echtzeitbetriebssystem für den Einsatz in industriellen und eingebetteten Geräten. Es bietet fortschrittliche Sicherheitsfunktionen und unterstützt mehrere CPU-Architekturen.
• Embedded Linux: Embedded Linux ist eine für den Einsatz in eingebetteten Systemen wie IoT-Geräten optimierte Version des Linux-Betriebssystems.
• Contiki: Contiki ist ein quelloffenes Betriebssystem, das speziell für IoT-Geräte mit geringem Energieverbrauch und begrenztem Speicher entwickelt wurde. Es unterstützt IPv6- und 6LoWPAN-Netzwerke.
• Apache Mynewt: Apache Mynewt ist ein modulares Echtzeitbetriebssystem für ressourcenbeschränkte IoT-Geräte mit Konnektivitätsoptionen wie Bluetooth Low Energy und WLAN.

Häufig gestellte Fragen zu IoT-Betriebssystemen

Parameter für die Auswahl eines geeigneten IoT-Betriebssystems

Bei der Auswahl eines IoT-Betriebssystems sollten Sie die folgenden Faktoren berücksichtigen:

• Footprint: Da Geräte durch ihren Speicher-, Energie- und Verarbeitungsbedarf eingeschränkt sind, sollte das Betriebssystem möglichst wenig Overhead verursachen.
• Skalierbarkeit: Mit zunehmender Zahl vernetzter Geräte sollte das Betriebssystem steigende Anforderungen an Ressourcen und Funktionalität bewältigen können.
• Portierbarkeit: Das Betriebssystem sollte mehrere Hardwareplattformen unterstützen, um Flexibilität bei der Geräteauswahl zu gewährleisten.
• Modularität: Ein modulares Betriebssystem ermöglicht Anpassungen und einfache Updates.
• Konnektivität: Das Betriebssystem muss verschiedene Kommunikationsprotokolle unterstützen, die in IoT-Netzwerken verwendet werden.
• Sicherheit: Das Betriebssystem sollte Sicherheitsfunktionen bieten und die Einhaltung von Branchenvorschriften gewährleisten.
• Zuverlässigkeit: Das Betriebssystem muss in Echtzeitumgebungen eine deterministische Leistung für kritische Vorgänge bereitstellen.

Letztlich ist es wichtig, die Anforderungen Ihres Projekts sorgfältig zu prüfen und ein IoT-Betriebssystem auszuwählen, das diese effektiv erfüllt und zugleich Raum für künftiges Wachstum bietet.