Zu den zukunftsweisenden Anwendungen, welche der Automobilindustrie auch dabei helfen sollen, neue Geschäftsfelder zu erschließen, gehören unter anderem effiziente Flottenmanagement-Software, Car- und Ride-Sharing-Services, vorausschauende Wartung zur Verlängerung der Lebensdauer eines Autos, ein verbessertes Nutzererlebnis im Auto sowie ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) und autonomes Fahren.

Schnelligkeit und Zuverlässigkeit

Autofahrer schätzen schon heute ein fortschrittliches, vernetztes Autoerlebnis. Das Konzept Connected Car bietet ihnen Vorteile, wie etwa mehr Sicherheit, intuitivere sowie reaktionsschnellere Human-Machine-Interfaces (HMI) und eine vorausschauende Wartung. Angetrieben durch die täglichen Interaktionen des Nutzers mit dem Smartphone und Web ist ein schnelles und reaktionsfähiges Anwendererlebnis Grundvoraussetzung. Das Entriegeln einer Autotür mithilfe einer App darf daher nur wenige Sekunden dauern. Und während der gesamten Fahrt erwartet der Anwender, dass Befehle an den Carsharing-Dienst oder an das Auto selbst, extrem schnell und zuverlässig ausgeführt werden – unabhängig vom Standort des Nutzers oder von der Nachfrage in Spitzenlastzeiten.

Der MQTT-Broker puffert die Daten während der gesamten Zeit, in der das Auto offline ist, und liefert diese sofort, sobald das Fahrzeug wieder online ist.

Der MQTT-Broker puffert die Daten während der gesamten Zeit, in der das Auto offline ist, und liefert diese sofort, sobald das Fahrzeug wieder online ist. Hivemq

Einen hohen Stellenwert hat die Sicherheit – sowohl beim Kunden als auch beim Automobilhersteller. Für sicherheitskritische Funktionen, wie sie beispielsweise beim autonomen Fahren vorhanden sind, setzen Hersteller und staatliche Regulierungsbehörden ein konsistentes und zuverlässiges Nutzererlebnis zwingend voraus. Schnelligkeit und Zuverlässigkeit sind demnach für alle Connected Car Services unabdingbar.

Plattform für vernetzte Fahrzeuge

Eine Connected-Car-Plattform bezeichnet die Software-Infrastruktur, die jeden neuen Connected-Car-Service unterstützt. Sie umfasst die erforderliche Softwaretechnologie, die Fahrzeuge mit der Cloud verbindet, Daten und Ereignisse zwischen Fahrzeug und Cloud überträgt und die Telematikdaten in bestehende Back-End-IT-Systeme des OEMs oder eines Supply-Chain-Partners integriert. Die Entwicklung einer Connected-Car-Plattform stellt eine architektonische Herausforderung dar, die sich durch die ständige Bewegung der Fahrzeuge sowie die hohe Anzahl an gleichzeitig verbundenen Geräten ergibt. Eine unzuverlässige Netzwerkkonnektivität, die Netzwerklatenz, die sofortige bidirektionale Datenübermittlung, die Skalierbarkeit für Millionen gleichzeitig verbundener Fahrzeuge, die Sicherheit und die Integration in Unternehmenssysteme sind sechs Aspekte, die es besonders zu berücksichtigen gilt.

Eck-Daten

Das IoT wird für die Automobilindustrie eine immer wichtigerer Technologie. Um Anwendungen aber auch richtig implementieren und steuern zu können, sind leistungsfähige Plattformen mit neuen Architekturen für das vernetzte Fahren erforderlich. Mit MQTT hat Hivemq ein IoT-Standard Protokoll entwickelt, das einen neuen Publish/Subscribe-Architekturstil für Connected-Car-Plattformen einführt.

Über Mobilfunknetz verbundene Fahrzeuge können sich durch Funklöcher bewegen, was die Verbindung zwischen dem Auto und der Cloud unterbricht. Durch die Wiederverbindung des Fahrzeugs mit der Cloud gehen Nachrichten verloren, und es entstehen langsame Reaktionszeiten. Ähnlich wie bei Funklöchern können auch Netzwerkgeschwindigkeit und -latenz zu einem inkonsistenten Datenfluss zwischen Fahrzeug und Cloud führen. Für ein reaktionsschnelles und zuverlässiges Nutzererlebnis sollten die Auswirkungen der Netzwerklatenz daher minimimal sein.

Außerdem müssen sich Daten vom Auto in die Cloud und umgekehrt bewegen lassen. Die Herausforderung dieser bidirektionalen Kommunikation ist, dass sich das Senden von Informationen entweder vom Fahrzeug oder von der Cloud initiieren lässt. Traditionelle Client-Request/Response-Architekturen sind deshalb nicht für Connected-Car-Plattformen, die mit Millionen von Fahrzeugen zeitgleich kommunizieren, geeignet. Darüber hinaus muss die Cloud-Plattform Millionen von gleichzeitigen Verbindungen zuverlässig aufnehmen, um das Nutzererlebnis auch in Spitzenlastzeiten nicht zu trüben. Für die Sicherheit gilt, dass sich ein vernetztes Fahrzeug in einer vertrauenswürdigen Umgebung betreiben lassen muss, damit Hacker keine Kontrolle über das Fahrzeug erlangen können. Abschließend müssen die IoT-Daten der vernetzten Fahrzeuge noch in die IT-Systeme der Automobilhersteller und Partner in der Lieferkette integriert werden. Diese Systeme sind entweder speziell entwickelte oder proprietäre Anbieterlösungen mit bidirektionalem Informationsfluss zwischen dem Fahrzeug und dem IT-System. Die Integration muss also die bidirektionale Datenübertragung unterstützen.

Neue Architekturen

Um die Herausforderungen beim Bau einer Plattform für vernetzte Fahrzeuge zu bewältigen, ist eine neue Art von Architektur notwendig, da bestehende Webtechnologien ungeeignet für unzuverlässige Netzwerke und bidirektionale Datenübertragung sind. Das Architekturmuster, das eine SMS mit einer URL zur Initiierung einer HTTP-Verbindung zwischen dem Fahrzeug und der Cloud versendet, schafft keine zuverlässige User-Experience und führt zu einer langsamen Leistung.

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) ist ein IoT-Standard-Protokoll, das einen neuen Publish/Subscribe-Architekturstil für Connected-Car-Plattformen einführt. Basierend auf MQTT implementiert die Hivemq-MQTT-Plattform-Lösung die Architekturmerkmale, die für den Aufbau und die Bereitstellung einer skalierbaren, zuverlässigen und sicheren Connected-Car-Plattform erforderlich sind.

Wesentliche Architekturmerkmale

Mit der Publish/Subscribe-Architektur von MQTT ist es möglich, jedes Fahrzeug von anderen Fahrzeugen sowie von Backend-Diensten zu entkoppeln und eine persistente, ständig aktive Push-Verbindung zur Cloud zu schaffen. Wenn eine Netzwerkverbindung verfügbar ist, sendet das Auto Daten an den MQTT-Broker (publish) und empfängt die abonnierten Daten vom selben Broker nahezu in Echtzeit (subscribe). Der MQTT-Broker puffert die Daten während der gesamten Zeit, in der das Auto offline ist, und liefert diese sofort, sobald das Fahrzeug wieder online ist.

Hivemq implementiert die drei MQTT Quality of Service (QoS) Levels für die Nachrichtenzustellung. QoS in MQTT ist eine Vereinbarung zwischen dem Sender und dem Empfänger einer Nachricht, die die Zustellgarantie für eine bestimmte Nachricht definiert. Auf diese Weise lassen sich zuverlässige Connected-Car-Services entwickeln. Dabei sind die Aufbewahrung von Nachrichten und Offline-Message-Queuing unterstützt, was für Netzwerklatenzen und unzuverlässige Mobilfunknetze von wesentlicher Bedeutung ist.

Autos, die mithilfe integrierter MQTT-Clients kommunizieren, sind selbst nicht über das Internet adressierbar. Der MQTT-Client, der auf jedem Fahrzeug läuft, ist für die Einrichtung einer sicheren, dauerhaften TCP-Verbindung unter Verwendung von TLS mit dem MQTT-Broker in der Cloud verantwortlich. Dies bedeutet, dass kein öffentlicher Internet-Endpunkt im Fahrzeug offengelegt ist. So kann sich niemand direkt mit dem Fahrzeug verbinden, was einen Hackerangriff auf ein Auto praktisch unmöglich macht. Zudem unterstützt Hivemq Industrie-Sicherheitsstandards wie TLS und stellt damit sicher, dass die Kommunikation vom Fahrzeug zur Cloud verschlüsselt ist.

Die MQTT-Broker-Architektur erlaubt elastische Skalierbarkeit und Auto-Heal. Bei der Vernetzung von Millionen Fahrzeugen lässt sich damit die Anzahl der Cluster-Knoten automatisch erhöhen und verringern. Diese masterlose Cluster-Architektur ermöglicht es, Geräteverbindungen über alle Cluster-Knoten zu verteilen. Der Benutzer bemerkt keine Veränderung des Nutzererlebnis beim Starten oder Stoppen von Knoten, da das Auto seine Sitzung auf jedem der verbleibenden Cluster-Knoten fortsetzen kann. Zudem lässt sich Hivemq nahtlos mit allen wichtigen Load Balancern integrieren.

Hivemq bietet eine offene API und ein Extension-Framework, mit dem sich Telemetriedaten in bestehende Unternehmens-IT-Systeme integrieren lassen. Dadurch lassen sich benutzerdefinierte Erweiterungen entwickeln, die eine bidirektionale Datenübertragung zwischen bereits bestehenden internen oder kommerziellen Systemen, dem MQTT-Broker sowie einem Fahrzeug ermöglichen. Das Extension-Framework lässt sich auch für die Integration von Enterprise -Security-Systemen verwenden, um so beispielsweise Berechtigungsrichtlinien für die Kommunikation zwischen dem Auto und der Cloud einzurichten.

Plattform-Bereitstellung

Autos, die mithilfe integrierter MQTT-Clients kommunizieren, sind selbst nicht über das Internet adressierbar.

Autos, die mithilfe integrierter MQTT-Clients kommunizieren, sind selbst nicht über das Internet adressierbar. kinwun-AdobeStock_257463051

Eine Connected-Car-Plattform wird normalerweise auf einer privaten oder öffentlichen Cloud-Plattform bereitgestellt. Folgende Aspekte sind beim Betrieb einer Connected-Car-Plattform zu berücksichtigen:

Wenn ein Fahrzeug auf Nachrichten nicht mehr reagiert oder fehlerhafte Nachrichten überträgt, muss es eine Möglichkeit geben, die Interaktion zwischen einem bestimmten Auto und der Cloud-Plattform aus der Ferne zu debuggen und Fehler zu beheben. Zweitens gilt es zu beachten, dass vernetzte Fahrzeuge in verschiedenen Ländern fahren können und eventuell auch Landesgrenzen überqueren. In einem anderen Land gelten möglicherweise geänderte Datenschutzbestimmungen. Viele OEMs und Dienstleister möchten aber die Kontrolle über die von einem vernetzten Fahrzeug erzeugten Daten behalten. Der letzte Aspekt ist die Lebensdauer eines Fahrzeugs, die 15 bis 20 Jahre betragen kann. Daher muss die Kontrolle über die APIs zwischen dem Fahrzeug und der Cloud-Plattform stets synchron und konsistent bleiben.

Viele dieser Probleme lassen sich durch Systemverwaltungs- und Management-Tools sowie eine flexible Architektur lösen. Mit dem Hivemq-Control-Center können Administratoren beispielsweise eine Flotte von vernetzten Fahrzeugen überwachen. Ein Dashboard bietet dem Operationsteam einen vollständigen Echtzeit-Überblick über das Broker-Cluster und den allgemeinen Systemzustand. Administratoren können das Kontrollzentrum zur Überwachung von Echtzeitdaten zwischen dem Fahrzeug und der Cloud-Plattform verwenden. Administratoren können ebenfalls den Status jedes Fahrzeugs abfragen, die Verbindung zu einem Fahrzeug aus der Ferne trennen und die MQTT-Subscriptions für ein Fahrzeug zurücksetzen.

Für das Remote-Debugging kann Hivemq Trace-Aufzeichnungen initiieren, die die Interaktion zwischen einem Fahrzeug und der Cloud-Plattform zeigen. Auf diese Weise können Administratoren Probleme oder Engpässe im System identifizieren und beheben.

Hivemq verfolgt eine Multi-Cloud-Strategie, um flexible Einsatzoptionen zu bieten. Dies ist besonders wichtig für Unternehmen, die die Kontrolle über Datenverarbeitung und Datenspeicherung haben müssen. Die Bereitstellung kann auf öffentlichen Cloud-Services (AWS, Microsoft Azure und GCP), bei privaten cloud-native Orchestrierungsplattformen (OpenShift, DC/OS oder Kubernetes) und über On-Premise (Linux, Windows und OS X) erfolgen.

Die MQTT-Spezifikation ist ein OASIS- und ISO-IoT-Standard. Die Einhaltung eines Standards stellt sicher, dass die Schnittstelle zwischen einem Fahrzeug und der Cloud keine Lösung eines Einzelanbieters ist. Dies ist besonders wichtig für Fahrzeuge mit einer Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren.