Crash course in LwM2M

Wofür wurde LwM2M entwickelt?

Lightweight M2M (LwM2M) ist ein von OMA SpecWorks geschaffener Standard, der Mechanismen für Gerätemanagement, Telemetrie und Service Enablement spezifiziert. Er wurde ursprünglich für Geräte mit begrenzten Verarbeitungs- und Speicherkapazitäten entwickelt (gemeinhin als ressourcenbeschränkte Geräte bezeichnet). Die Technologie funktioniert sehr gut über potenziell instabile Netzwerke mit geringer Bandbreite, wie z. B. Mobilfunknetze sowie LPWA-Funknetze.

Wie funktioniert es?

Bei LwM2M findet der Informationsaustausch zwischen dem LwM2M-Client (z. B. IoT-Gerät) und dem LwM2M-Server (z. B. IoT-Plattform) oder dem LwM2M-Bootstrap-Server statt. Es gibt vier Schnittstellen, die die Kommunikation regeln:

• Bootstrap

• Client-Registrierung (Client Registration)

• Gerätemanagement und Service Enablement (Device Management and Service Enablement)

• Informationsberichterstattung (Information Reporting)

Die Bootstrap-Schnittstelle definiert die Werkzeuge für den LwM2M-Bootstrap-Server, um den LwM2M-Client mit den ersten Informationen zu versorgen, die für die „Registrierung“ beim LwM2M-Server erforderlich sind. Sobald der Client provisioniert ist, kann er den LwM2M-Server über seine Anwesenheit informieren und die Registrierung über die zweite Schnittstelle (Client-Registrierung) durchführen. Nach erfolgreicher Client-Registrierung können die verbleibenden zwei Schnittstellen genutzt werden.

Die Schnittstelle für Gerätemanagement & Service Enablement ist der Ort, an dem das eigentliche Gerätemanagement stattfindet. Durch die Verwendung von im Protokoll definierten Operationen wie „Read“ (Lesen), „Write“ (Schreiben) oder „Execute“ (Ausführen) können Sie auf die in den Ressourcen des LwM2M-Clients gespeicherten Daten zugreifen.

Schließlich gibt es das Information Reporting – die letzte Schnittstelle, die es dem LwM2M-Server ermöglicht, automatisch periodische Updates über ausgewählte Ressourcen des LwM2M-Clients zu erhalten. Dies kann genutzt werden, um die Werte bestimmter Parameter proaktiv zu überwachen und Schwellenwerte an jeden spezifischen Anwendungsfall anzupassen – pro Gerät oder als Massenoperation.

Ist LwM2M sicher?

Ja, das ist es. Die Sicherheit basiert auf CoAP und nutzt DTLS (Datagram Transport Layer Security) oder TLS (Transport Layer Security) als Hauptsicherheitsmechanismen. DTLS/TLS implementiert Authentifizierung, Vertraulichkeit und Datenintegrität zwischen dem LwM2M-Server und dem LwM2M-Client zusammen mit drei Sicherheitsmodi:

• Zertifikate,

• Raw Public Keys (RPK),

• Pre-Shared Keys (PSK).

Der LwM2M-Client muss über Anmeldeinformationen und Konfigurationsdaten verfügen, die während des Bootstrapping-Prozesses abgerufen wurden. Sobald der Bootstrap abgeschlossen ist, authentifiziert der LwM2M-Server den LwM2M-Client und ermöglicht diesem die Nutzung aller von LwM2M unterstützten Sicherheitsfunktionen.

Was ist der Unterschied zwischen LwM2M und MQTT?

Die Unterscheidung liegt bereits auf der Ebene der Protokollhierarchie. Im Schichtenmodell des Protokollstapels rangiert MQTT auf derselben Ebene wie CoAP. LwM2M bietet ein standardisiertes Datenmodell und Schnittstellensemantik auf der CoAP-Schicht.

Was den Vergleich zwischen CoAP und MQTT betrifft, liegt der Unterschied in den Kommunikationsmethoden: CoAP bietet eine Kommunikation basierend auf Anfragen und Antworten (Request/Response), während MQTT auf einem Publish/Subscribe-Nachrichtensystem beruht. Da MQTT jedoch ein Protokoll niedrigerer Ebene ist, muss jede Gerätemanagement- oder Überwachungsanwendung, die MQTT verwendet, ihre eigene Semantik darauf aufbauen. LwM2M übernimmt dies, nutzt jedoch CoAP als Basis.

Was sind die Vorteile von LwM2M?

Der Lightweight Machine-to-Machine-Standard ist wirklich leichtgewichtig. Er ermöglicht die Verwaltung von Geräten mit sehr geringem Energieverbrauch über Netzwerke mit sehr niedriger Bandbreite, während er selbst ein Standard mit einem sehr einfachen und übersichtlichen Technologie-Stack ist. Zu den Geräten, für deren Verwaltung LwM2M konzipiert ist, gehören Sensoren, Mikrocontroller, Aktoren usw., die manchmal an schwer zugänglichen Orten installiert sind. Das ändert nichts an der Tatsache, dass solche Geräte im Netz sind und verwaltet, gesichert, aktualisiert und überwacht werden müssen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass LwM2M diese Bedürfnisse erfüllt, indem es Folgendes bietet:

• einen einfachen, aber durchdachten und gut gestalteten Technologie-Stack
• die Fähigkeit, Geräte mit sehr geringem Stromverbrauch über Netzwerke mit sehr niedriger Bandbreite zu verwalten
• sehr geringen Bandbreitenverbrauch mit sehr kleinen Payloads (Nutzdaten)
• hohe Sicherheit basierend auf DTLS und TLS
• verbesserte Interoperabilität dank eines klar definierten Datenmodells
• Geräte- und Netzwerkflexibilität sowie Anwendbarkeit auf sich schnell ändernde Bedürfnisse des IoT-Marktes
• Möglichkeit für den IoT-Markt, in Sektoren vorzudringen, in denen Geräte kostengünstig sein müssen, wenig Strom verbrauchen oder eine begrenzte Netzwerk- oder Batterielebensdauer haben
• Verbesserung der Time-to-Market – LwM2M ist als Plug-and-Play-Lösung einsatzbereit
• Open-Source LwM2M-Clients und SDKs sind verfügbar – kostenlos herunterladbar und nutzbar

Was sind die wichtigsten Gerätemanagement-Funktionen in der neuesten Version des LwM2M-Protokolls?

Verbundoperationen (Composite Operations) wie READ-COMPOSITE, WRITE-COMPOSITE und andere.

In der frühen Spezifikation nutzte LwM2M unter Verwendung von CoAP einfache Operationen wie READ, WRITE, EXECUTE, CREATE (und andere), basierend auf grundlegenden Methoden, die beispielsweise in HTTP verwendet werden (GET, POST, PUT, DELETE). In der neuesten LwM2M 1.1-Spezifikation wurden jedoch neue Operationen zu den bereits bestehenden hinzugefügt. Dazu gehören Verbundoperationen wie READ-COMPOSITE oder WRITE-COMPOSITE. Die Idee dahinter war, die grundlegenden Befehle zu erweitern, um die Aggregation von Operationen auf vielen verschiedenen Objekten zu ermöglichen und alle erfassten Parameter in einem Payload zu senden.

SEND-Operation in der Schnittstelle für Informationsberichterstattung.

Was die Operationen betrifft, ist SEND eine weitere, die die Telemetriefähigkeiten von LwM2M erheblich verbessert. In der vorherigen Spezifikation musste der LwM2M-Server, damit der LwM2M-Client über Änderungen in einer bestimmten Ressource benachrichtigt wurde, zuerst eine OBSERVE-Operation auf dieser Ressource ausgeben. Erst dann konnte der LwM2M-Client eine NOTIFY-Operation ausgeben, um die gewünschten Informationen zu empfangen. SEND hingegen liefert ähnliche Ergebnisse wie die NOTIFY-Operation, mit dem Unterschied, dass keine aktive OBSERVE-Operation erforderlich ist, um Benachrichtigungen zu senden. Dies macht die Kommunikation zwischen Client und Server nicht nur einfacher, sondern auch zuverlässiger.

Transportbindungen wie CoAP über TCP und Non-IP Data Delivery.

LwM2M bietet Ihnen eine Fülle von Transportbindungen zur Auswahl. Wenn Ihr Projekt minimalen Stromverbrauch und maximale Geschwindigkeit erfordert, ist UDP der richtige Weg. Wenn Sie jedoch Zuverlässigkeit benötigen, können Sie dank der NAT/Firewall-Traversal-Fähigkeiten das TCP-Protokoll verwenden. Darüber hinaus können Sie auch Non-IP Data Delivery (NIDD) nutzen – eine weitere Transportbindung, die für das IoT besonders attraktiv ist, da sie den Stromverbrauch für IoT-spezifische, ressourcenbeschränkte Geräte weiter minimiert.