Prüfungsbereich LF 10d · Prüfung Teil 2

IoT-Protokolle und Datenübertragung

IoT-Protokolle kurz erklärt: MQTT mit Topics, QoS, Retained und Last Will, CoAP, OPC UA, LoRaWAN, NB-IoT und TSN im Vergleich.

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Darum geht es

Die Komponenten eines cyber-physischen Systems tauschen Daten über Protokolle aus, die zu Gerät, Netz und Aufgabe passen müssen. MQTT arbeitet nach dem Prinzip Veröffentlichen und Abonnieren über einen Broker. Topics sind hierarchisch aufgebaut; das Pluszeichen steht für genau eine Ebene, die Raute für alle restlichen Ebenen. QoS 0, 1 und 2 regeln die Zustellgarantie und brauchen eine, zwei oder vier Nachrichten. Retained Messages liefern neuen Abonnenten sofort den letzten Wert, der Last Will meldet einen unerwarteten Verbindungsabbruch, dauerhafte Sitzungen überbrücken kurze Ausfälle.

CoAP überträgt das REST-Prinzip auf UDP und eignet sich für sehr kleine Geräte. OPC UA (IEC 62541) bringt ein Informationsmodell mit, in dem Werte mit Bedeutung, Typ und Struktur beschrieben sind; Zertifikate und die Modi Sign und SignAndEncrypt sichern die Verbindung. Für Funk über große Entfernungen mit wenig Energie gibt es LPWAN-Verfahren wie LoRaWAN im lizenzfreien Band und NB-IoT im Mobilfunknetz. TSN erweitert Ethernet um Zeitsynchronisation und reservierte Zeitfenster für zeitkritische Daten.

In der Prüfung geht es oft um die begründete Auswahl: Datenmenge, Latenz, Reichweite, Energie, vorhandene Infrastruktur und Sicherheit entscheiden. Verschlüsselung gehört immer dazu, bei MQTT über TLS auf Port 8883. Bei kleinen Messwerten machen Topic und Protokollkopf einen großen Teil des Pakets aus; Bündeln und kurze Topics verbessern das Verhältnis.

Das solltest du dir merken

Plus im Topic ersetzt genau eine Ebene, Raute alle folgenden Ebenen.
QoS 0, 1, 2 brauchen eine, zwei oder vier MQTT-Nachrichten; QoS verschlüsselt nicht.
MQTT unverschlüsselt 1883, mit TLS 8883; CoAP 5683 über UDP; OPC UA 4840.
OPC UA beschreibt die Bedeutung der Daten, MQTT verteilt sie schlank.
LPWAN für wenige Byte über weite Strecken, nicht für Bilder oder Video.

Formeln

Pakete pro Zeit bei MQTT: $N_{Pakete} = N_{Nachrichten} \cdot k$; $k = 1$ bei QoS 0, $k = 2$ bei QoS 1, $k = 4$ bei QoS 2
Nutzlastanteil: $Anteil = \frac{Nutzlast}{Paketgr o ¨ ße} \cdot 100 %$

Typische Fehler in der Prüfung

QoS mit Verschlüsselung verwechselt.
Annahme, dass das Pluszeichen mehrere Topic-Ebenen abdeckt.
CoAP auf TCP verortet oder Ports von MQTT und OPC UA vertauscht.
LoRaWAN für große Datenmengen wie Kamerabilder vorgeschlagen.

Tipps aus der Werkstatt

Bei MQTT-Topics ersetzt das Plus genau eine Ebene, die Raute alle restlichen. QoS regelt nur die Zustellung und verschlüsselt nichts; dafür brauchst du TLS auf Port 8883. Paketzahl: QoS 0 eins, QoS 1 zwei, QoS 2 vier Pakete je Nachricht.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

14 Aufgaben zu „IoT-Protokolle und Datenübertragung“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Fachinformatiker/-in (2019), Lernfeld 10d (Cyber-physische Systeme entwickeln); IEC 62541; RFC 7252. Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.