Die Zeitsynchronisation ist ein wichtiger Aspekt des Internets der Dinge (IoT). Im industriellen IoT zum Beispiel kann eine genaue Synchronisation Produktionsfehler verhindern, indem sie dafür sorgt, dass Sensoren und Maschinen synchron laufen.
Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen wie der Überwachung kritischer Infrastrukturen ermöglicht die Zeitsynchronisation eine genaue Korrelation der Ereignisse, die von verschiedenen Geräten (Stempeluhren, Sicherheitskameras) aufgezeichnet werden und zentral auf einem Masterserver gespeichert werden.
Warum braucht man für das IoT eine zuverlässige und genaue Zeitsynchronisation?
Die Bedeutung der Zeitsynchronisation für das IoT zeigt sich an diesen vier wichtigen Anforderungen:
- Zeitliche Genauigkeit. Eine genaue Synchronisierung stellt sicher, dass die Aktionen und Messungen von IoT-Geräten zuverlässig sind.
- Sicherheit. Verschiedene Angriffsarten auf Systeme und Netzwerke können durch einen zuverlässigen Mechanismus der Zeitsynchronisierung verhindert werden. Zum Beispiel kann bei Replay-Angriffen ein Zeitstempelmechanismus die Integrität der Nachrichten überprüfen. Zeitstempel stellen eine sehr wirksame Gegenmaßnahme gegen solche Angriffe dar.
- Interoperabilität. Innerhalb eines Netzwerks sind oft viele unterschiedliche Geräte angeschlossen. Eine genaue Zeitynchronisation ist unerlässlich, damit alle Geräte effektiv zusammenarbeiten können.
- Energie. Die angeschlossenen Geräte müssen sich genau synchronisieren und gleichzeitig ihre Batterien schonen. Es besteht also ein Interesse an energiearmen Lösungen für die Zeitsynchronisation, wie z. B. mit Zeitservern mit geringem Stromverbrauch.
Welche verschiedenen Protokolle zur Zeitsynchronisation gibt es für das IoT?
Es gibt verschiedene technische Lösungen, um die Uhren der angeschlossenen Geräte zu verwalten. Einige basieren auf den bekannten Protokollen (NTP, NTS und PTP), während andere speziell für mobile Geräte (IoT und mobile Kommunikation) entwickelt wurden.
Nachfolgend sehen Sie die gängigsten Protokolle im IoT:
- Network Time Protocol (NTP). NTP ist das bekannteste Synchronisationsprotokoll. Es ermöglicht die Synchronisation der Uhren von Computern in einem Netzwerk mit einer Genauigkeit von wenigen Millisekunden, wobei dank NTS-Protokoll (Network Time Security) ein hohes Maß an Sicherheit gewährleistet ist. Für viele IoT-Anwendungen ist diese Genauigkeit ausreichend. In Umgebungen, in denen eine höhere Genauigkeit erforderlich ist, z. B. im Finanz- oder Energiesektor, ist NTP jedoch keine geeignete Lösung.
- Roughtime-Protokoll. Das Roughtime-Protokoll ist ein sicheres Zeitsynchronisationsprotokoll ähnlich dem NTS, das eine einfache und robuste Lösung für dezentralisierte Installationen bietet. Dieses Protokoll eignet sich besonders für vernetzte Objekte, da es moderne kryptografische Techniken verwendet, die gegen Angriffe resistent sind.
- Precision Time Protocol (PTP). PTP bzw. IEEE 1588 ist die Lösung, wenn eine höhere Genauigkeit als beim NTP notwendig ist. PTP wurde entwickelt, um den Anforderungen von Industrienetzwerken gerecht zu werden, in denen eine Synchronisation im Mikrosekundenbereich erforderlich ist, und ist damit zu einem Eckpfeiler kritischer Anwendungen geworden. Heute wird das Protokoll zur Synchronisation von Telekommunikationsnetzen, insbesondere für 5G, eingesetzt, um die Kommunikation zuverlässig mit geringer Latenz im Netz zu steuern. Eine vereinfachte Version gibt es auch: das Simple Precision Time Protocol (SPTP). Letzteres ermöglicht es, die Anzahl der Austauschvorgänge zwischen einem Server und einem Client erheblich zu reduzieren, wodurch eine wesentlich effizientere Netzwerkkommunikation gefördert wird.
- Short Packet Transmission (SPT). In IoT-Netzwerken ist die Bandbreite oft begrenzt und die Geräte müssen energiesparend betrieben werden können. Mit Kurznachrichten ist eine effektive Synchronisation möglich, ohne eine übermäßige Netzwerklast zu verursachen. Durch die kleinere Paketgröße wird die Variabilität der Übertragungsverzögerung verringert, sodass die Geräte die Synchronisation mit einer minimalen Fehlerquote aufrechterhalten können.
Wie kann man die Zeitgenauigkeit aufrechterhalten?
Um zu verhindern, dass zu häufig mit einem externen Zeitserver synchronisiert wird, ist es ratsam, die Netzwerkinfrastruktur mit einem lokalen Zeitserver auszustatten. Denn diese Server können eine hohe Zeitgenauigkeit aufrechterhalten, insbesondere wenn ihre Hardware z. B. einen TCXO-Oszillator (Temperature Controlled Crystal Oscillator) enthält.
Die Zeitsynchronisation für das IoT hat einen Teil der Anforderungen und Lösungen gemeinsam, die auch bei der Steuerung von Uhren in einem herkömmlichen Netzwerk zu finden sind. Protokolle wie NTP oder PTP werden aus diesem Grund im Kontext des Internets der Dinge verwendet. Dadurch entstehen zusätzliche Probleme, wie die Interoperabilität zwischen heterogenen Geräten und das Energiemanagement. Um diesen beiden neuen Anforderungen gerecht zu werden, gibt es bereits Lösungen (Roughtime, SPT, interne Synchronisation usw.). Außerdem ist die Forschung und Entwicklung bei diesen Problemen sehr dynamisch.
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