In 2012 engineers at Open Mobile Alliance SpecWorks (OMA) started working on the Lightweight M2M protocol, a communication protocol designed especially for remote device management and telemetry within the Internet of Things as Im Jahr 2012 begannen Ingenieure der Open Mobile Alliance SpecWorks (OMA) mit der Arbeit am Lightweight M2M (LwM2M)-Protokoll, einem Kommunikationsprotokoll, das speziell für das Fernmanagement von Geräten und Telemetrie im Internet der Dinge (IoT) sowie in anderen M2M-Anwendungen entwickelt wurde. Als Nachfolger des OMA Device Management (OMA DM) Standards wurde Lightweight M2M von Grund auf so konzipiert, dass es den Energie- und Datenverbrauch reduziert. Damit reagierte man auf die Anforderungen des wachsenden M2M-Marktes nach dedizierten Lösungen für energieeffiziente Geräte mit begrenzten Verarbeitungs- und Speicherkapazitäten (auch bekannt als ressourcenbeschränkte Geräte).
Laut Statista wird die weltweite Anzahl vernetzter IoT-Geräte von 23 Milliarden im Jahr 2018 auf prognostizierte, atemberaubende 75 Milliarden bis Ende 2025 anwachsen. Diese gewaltige und stetig expandierende Vision prägt unsere Sicht auf die Zukunft der Technologie und benötigt ständig dedizierte Lösungen für eine ordnungsgemäße und innovative Bereitstellung. In einer Welt unterschiedlicher Gerätestandards gibt es eine immer stärkere Nachfrage nach schnellerer, einfacherer und effektiverer Kommunikation bei geringerem Energieverbrauch.
Der Lightweight M2M-Standard wurde als Antwort auf dieses Marktbedürfnis geschaffen.
Die Spezifikation des Protokolls beschreibt viele typische Funktionen des IoT-Gerätemanagements, wie z. B. Remote-Geräteaktionen, Firmware- und Software-Updates (FOTA & SOTA), Überwachung der Konnektivität sowie Management, einschließlich Cellular-Management und Provisionierung.
Im Gegensatz zu anderen IoT-Protokollen auf dem Markt unterstützt die Architektur von LwM2M vier logische Schnittstellen, die helfen, die Art und Weise, wie das eigentliche Gerätemanagement und die Telemetrie durchgeführt werden, zu standardisieren:
Unter Berücksichtigung der Einschränkungen von M2M-Geräten entwickelte OMA SpecWorks den LwM2M-Standard als Antwort auf die wachsenden Bedürfnisse von Herstellern und Dienstanbietern nach einem unkomplizierten, kostengünstigen Protokoll für Gerätemanagement und Service Enablement. Dieses sollte moderne Architekturprinzipien aufgreifen und gut über drahtlose Verbindungen funktionieren. Als Industriestandard wurde Lightweight M2M speziell entwickelt, um einige der größten Einschränkungen der IoT-Szene zu überwinden, wie das Management von Low-Power-Geräten, Sicherheitsherausforderungen und standardübergreifende Interoperabilität.
Als Mitglied der Open Mobile Alliance SpecWorks hat AVSystem aktiv an der Erstellung des LwM2M-Standards mitgewirkt und war einer der ersten Anbieter, der eine umfassende Plug-and-Play-Lösung auf Basis des Lightweight M2M-Protokolls anbot. Die Coiote IoT-Gerätemanagement-Plattform von AVSystem, die als LwM2M-Server fungiert, nutzt die Schlüsselfunktionen von OMA LwM2M, um eine führende Lösung bereitzustellen, die für praktisch den gesamten IoT-Markt geeignet ist. Dazu gehören unter anderem M2M-Gateways, Sensoren, Controller, Zähler, Tracking-Geräte oder Sicherheitsanwendungen, die das Lightweight M2M-Protokoll unterstützen. Um dieses Produkt zu ergänzen, hat AVSystem auch Anjay entwickelt – einen LwM2M-Client als Open-Source-Software, der eine einfache Implementierung der Unterstützung für das LwM2M-Protokoll in jedem Gerät ermöglicht.
LwM2M nutzt ein leichtes und kompaktes Protokoll, wodurch es sehr gut über potenziell instabile Netzwerke mit geringer Bandbreite wie Mobilfunk- oder Sensornetzwerke funktioniert. Sein leichtgewichtiges Design ändert jedoch nichts an der Tatsache, dass das Protokoll auch auf größeren IoT-Assets wie Business-Routern oder Gateways sehr effizient arbeitet. Mit einer enormen Bandbreite an möglichen Anwendungen findet das Lightweight M2M-Protokoll Verwendung in Bereichen wie:
Mit der Einführung der Version LwM2M 1.1.1 wurde der Standard um zahlreiche Funktionen erweitert. Das Protokoll unterstützt nun nicht nur UDP als Kommunikationsprotokoll, sondern auch TCP, was bei der Überwindung von Firewall/NAT-Beschränkungen hilfreich sein kann und generell eine zuverlässigere Datenübertragung bietet (wenn auch langsamer als bei UDP). Die Herausforderung bestand jedoch darin, den großen Overhead zu eliminieren, der typisch für IP- und TCP/TLS-Payloads ist. Zudem ist die TCP-Verbindung im Gegensatz zu UDP für ihre Zuverlässigkeit bekannt, was bedeutet, dass sie langlebig und immer verfügbar sein soll. Dies ist jedoch unvereinbar mit der Grundidee ressourcenbeschränkter Geräte, da diese mit sehr niedriger Frequenz senden sollen, um Batterielebensdauer zu sparen. Die meiste Zeit befinden sich diese Geräte im Schlafmodus.
Deshalb unterstützt die Version LwM2M 1.1.1 auch Non-IP Data Delivery (NIDD) mithilfe von Mobilfunknetzen wie NB-IoT oder LTE-M. Diese Netzwerke mildern das Problem, indem sie den TCP/IP-Stack einfach komplett eliminieren. LwM2M 1.1.1 fügte seinem Pool auch Unterstützung für andere Low-Power-WANs hinzu, einschließlich 3GPP CIoT & LoRaWAN.
Da Sicherheit eine der größten Herausforderungen der gesamten IoT-Branche zu sein scheint, können wir in der neuesten Version des Standards auch starke Sicherheitsverbesserungen beobachten. Das Lightweight M2M-Protokoll unterstützt jetzt ein Sicherheitsprotokoll auf Anwendungsebene namens OSCORE (Object Security for Constrained RESTful Environments). OSCORE bietet End-to-End-Sicherheit für zugrundeliegende Transportprotokolle – UDP, TCP und SMS. Bedeutend ist, dass die Transportbindungen nun mehr Unabhängigkeit in Bezug auf Sicherheit haben, da sie OSCORE mit oder ohne DTLS/TLS verwenden können.
Wie OMA SpecWorks selbst feststellt, kann OSCORE:
„zwischen einem LwM2M-Endpunkt und einem Nicht-LwM2M-Endpunkt verwendet werden, beispielsweise zwischen einem Anwendungsserver und einem LwM2M-Client. In diesem Fall bietet ein LwM2M-Server E2E-Sicherheit für die Kommunikation über Zwischenknoten hinweg.“
Durch die Einführung von „Composite“-Operationen verbessert LwM2M 1.1.1 die Leistung beim Abrufen und Aktualisieren von Ressourcen mehrerer Instanzen in einer einzigen Anfrage. Die neuen Operationen sind für das Lesen, Schreiben und Beobachten (Observe) von Ressourcen in einer Instanz oder über Instanzen hinweg verfügbar.
Und nicht zuletzt hat die Version LwM2M 1.1.1 ihre bereits starken Telemetriefähigkeiten durch die Unterstützung von JSON unter Verwendung von SenML mit CBOR-Serialisierung weiter verbessert. Dies führt zu viel stärker komprimierten Payloads und ermöglicht eine effizientere Datenübertragung.
Die Entwicklung des Standards endete nicht bei 1.1.1. Mit der Veröffentlichung von LwM2M 1.2 hat OMA SpecWorks die Flexibilität des Protokolls noch weiter erhöht. Die wichtigste Neuerung ist die Unterstützung neuer Transportbindungen, insbesondere MQTT und HTTP.
Dies ermöglicht es LwM2M, als universelle Management-Schicht zu fungieren, selbst in Architekturen, die traditionell nicht auf CoAP basieren. LwM2M 1.2 optimiert zudem den Bootstrap-Prozess weiter, um die Datenmenge beim ersten Verbindungsaufbau zu reduzieren, und führt verbesserte Mechanismen für das Gateway-Management ein, was die Verwaltung von Nicht-LwM2M-Geräten hinter einem Gateway deutlich vereinfacht.
Diese Version festigt die Position von LwM2M als zukunftssicheren Standard, der Brücken zwischen ressourcenbeschränkten IoT-Geräten und Cloud-native-Systemen schlägt.
Abgesehen davon, dass es ein einfaches und effizientes Protokoll für das Management von Low-Power-Geräten ist, verfügt LwM2M über eine Reihe von Funktionen, die ihm einen Vorsprung vor der Konkurrenz verschaffen.
Im Gegensatz zu traditionellen M2M-Lösungen, bei denen ein Gerät normalerweise mehrere Stacks von Technologien, Protokollen und Sicherheitsdiensten aufrechterhalten muss, ermöglicht das Lightweight M2M-Modell den Benutzern, einen einzigen Technologie-Stack für das Gerätemanagement zu haben – nicht nur auf der Ebene des Geräts selbst, sondern auch auf der Anwendungsebene. Darüber hinaus bietet LwM2M hersteller- und plattformübergreifende Interoperabilität, was es ideal für Dienstanbieter macht, die einen Vendor-Lock-in vermeiden wollen. Durch die Kombination von DTLS, CoAP, Block, Observe, SenML, LwM2M und Resource Directory wird eine Geräte-Server-Schnittstelle mit einer definierten Objektstruktur gebildet. Mit all diesen Vorteilen zusammen ist Lightweight M2M in der Lage, eine perfekte Time-to-Market zu bieten, da es für eine sofortige Bereitstellung verfügbar ist.
Wie oben erwähnt, verfügt LwM2M im Gegensatz zu vielen industriell bewährten Protokollen (wie MQTT) über ein wohldefiniertes Datenmodell. Die Idee ist sehr einfach: ein Baum mit einer maximalen Tiefe von 4, bestehend aus Objekten, Objektinstanzen, Ressourcen und Ressourceninstanzen.
Ressourcen sind wahrscheinlich am interessantesten, da Sie hier direkt mit dem Gerät interagieren. Wenn Sie beispielsweise den Temperaturwert eines bestimmten Geräts lesen möchten, können Sie dies tun, indem Sie eine READ-Operation auf Ressourcenebene ausgeben. Die Ressource, die über die Temperatur des Geräts informiert, kann zusammen mit (potenziell) einigen anderen Ressourcen (die z. B. über Gerätestandort, Signalstärke usw. informieren) in einer einzigen Objektinstanz liegen. Wenn Sie also alle Werte der Ressourcen in einer gegebenen Objektinstanz mit nur einer Operation lesen möchten, führen Sie einfach die READ-Operation auf der Ebene der Objektinstanz aus. Dieselbe Logik gilt für das Objekt – durch Ausgabe einer READ-Operation auf das gesamte Objekt erhalten Sie Ergebnisse für alle in diesem Objekt enthaltenen Objektinstanzen und alle Ressourcen.
Eine weitere Stärke von LwM2M, die es von anderen auf dem Markt erhältlichen M2M-Protokollen unterscheidet, ist die Art und Weise, wie es Sicherheitsfragen behandelt, insbesondere auf Low-Power-Geräten. Es basiert auf dem fortschrittlichen DTLS-Protokoll, das Anmeldeinformationen auf Basis von Pre-Shared Keys, Raw Public Keys oder Zertifikaten unterstützt und Authentifizierung, Vertraulichkeit und Datenintegrität zwischen Server und Client implementiert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Lightweight M2M-Protokoll ein flexibles, skalierbares und herstellerunabhängiges Gerätemanagement mit verbesserter Time-to-Market bietet, was es besonders für Low-Power-Geräte mit begrenzten Verarbeitungs- und Speicherkapazitäten geeignet macht. In Anbetracht all dessen ist LwM2M die beste Lösung für große, komplexe und langlebige Deployments, die plattform- und standardübergreifende IoT-Dienste umfassen.