Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neue, konzeptionelle IoT-Referenzarchitektur für SaaS Anwendungen entworfen, die für die Entwicklung derartiger Plattformen verwendet werden kann. Es werden dazu Anforderungen aus IoT-Referenzarchitekturen und dem Thema SaaS in der Literatur abgeleitet, sowie relevante Architekturansätze in Bezug auf die Anforderungen analysiert und Aspekte abgeleitet, die diese Anforderungen unterstützen. Basierend auf den Erkenntnissen wird eine neue Referenzarchitektur entworfen, die sowohl diese Aspekte berücksichtigt und die Anforderungen erfüllt. Da die Ableitung der Referenzarchitektur auf theoretischen Erkenntnissen basiert, wird diese für einen konkreten Anwendungsfall ausgeprägt, um die Übertragbarkeit in die Praxis zu evaluieren.
Unternehmen setzen zunehmend Internet of things (IoT) Projekte um. Nach einer Studie von IDG hat sich die Zahl der umgesetzten IoT Projekte von 2018 auf 2019 verdoppelt. Ein großer Teil der Unternehmen entwickelte die entsprechenden Lösungen dabei selbst (44 %). Die größten Chancen beim Einsatz von IoT sehen die Unternehmen in der Senkung von Kosten und der Erschließung neuer Kundenpotenziale.
Zur Erschließung neuer Kundenpotenziale bieten Unternehmen neue digitale Services für Ihre Kunden an oder bauen neue Geschäftsmodelle auf, die durch den Einsatz von IoT Geräten ermöglicht werden. Die Herausforderung besteht in der Entwicklung digitaler Plattformen, die ein breites Spektrum an technischem Know-how erfordern und es kosteneffizient ermöglichen den Service für viele Kunden bereitzustellen. Die Umsetzung solcher Anwendungen erfolgt zunehmend in Microservice-Architekturen, die vor allem Flexibilität in der Entwicklung, die Reduzierung von Abhängigkeiten und damit eine hohe Fehlertoleranz sowie eine gute Skalierbarkeit ermöglichen. Im Markt werden sowohl verschiedene IoT Plattformen angeboten, die Bausteine für die Entwicklung bieten, als auch teils umfangreichere Referenzarchitekturen und Best Practices bereitgestellt. Einen technologieunabhängigen, konzeptionellen Bauplan für eine IoT Anwendung liefern diese allerdings in den meisten Fällen nicht, da sie sich auf konkrete Technologien und Produkte der Anbieter fokussieren.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Aktueller Stand der Forschung
1.3 Forschungsfragen
1.4 Forschungsziel und Zielgruppen
1.5 Forschungsmethoden- und vorgehen
2 Anforderungen Referenzarchitektur
2.1 IoT-Referenzarchitekturen
2.1.1 5-Layer
2.1.2 Referenzarchitektur für IoT-basierende Geschäftsmodelle
2.1.2.1 Funktionale Sicht
2.1.2.2 Architekturschichten digitaler Geschäftsmodelle
2.1.2.3 Technische Referenzarchitektur
2.1.2.4 Zusammenfassung und Anforderungen
2.1.3 Microsoft Azure IoT Referenzarchitektur
2.1.3.1 Architekturbeschreibung
2.1.3.2 Querschnittsfunktionen
2.1.3.3 Zusammenfassung und Anforderungen
2.1.4 Zusammenfassung und Anforderungen
2.2 Software as a Service Anwendungen
2.3 Zusammenfassung und Anforderungen
3 Theoretische Grundlagen
3.1 Big Data Architekturansätze
3.1.1 Lambda-Architektur
3.1.1.1 Batch-Layer
3.1.1.2 Serving Layer
3.1.1.3 Speed Layer
3.1.1.4 Bewertung
3.1.2 Kappa-Architektur
3.1.2.1 Log
3.1.2.2 Bewertung
3.1.3 Zusammenfassung und Bewertung
3.2 Microservices
3.2.1 Merkmale von Microservices
3.2.2 Architektur von Microservice-Systemen
3.2.2.1 Skalierbarkeit
3.2.2.2 Sicherheit
3.2.2.3 Integration und Kommunikation
3.2.2.4 Application Logging
3.2.3 Architektur eines Microservice
3.2.4 Zusammenfassung und Bewertung
3.3 Mandantenfähigkeit
3.3.1 Herausforderungen
3.3.2 Konzepte auf Datenmodellebene
3.3.2.1 Shared Machine (Own Database)
3.3.2.2 Shared Process (Own Schema)
3.3.2.3 Shared Table
3.3.2.4 Zusammenfassung
3.3.3 Kontext der Gesamtanwendung
3.4 Zusammenfassung
4 IoT-Referenzarchitektur
4.1 Überblick
4.1.1 Devices-Layer
4.1.2 Connectivity-Layer
4.1.3 Device and Data Management Layer
4.1.4 Application-Layer
4.1.5 Customer Integration Layer
4.2 Messaging
4.3 Microservices
4.3.1 Microservice Customer and User Management
4.3.2 Microservice Device Management
4.3.3 Microservice Device Identity and Access
4.4 Sicherheit
4.4.1 Innerhalb der IoT Anwendung
4.4.2 Zugriff durch Web User
4.4.3 Zugriff durch Systeme
4.5 Application Logging
4.6 Disaster Recovery
4.6.1 Ablauf
4.6.2 Herausforderungen
4.7 Zusammenfassung und Bewertung
5 Use-Case Logistikplattform
5.1 Beschreibung und Anforderungen
5.2 Architekturausprägung
5.2.1 Überblick
5.2.2 Microservices
5.2.2.1 Microservice Device Management
5.2.2.2 Microservice Fleet Management
5.2.2.3 Microservice Transport Management
5.2.3 Sicherheit: Zugriff durch Web User
5.3 Zusammenfassung und Bewertung
6 Reflexion und Ausblick
6.1 Reflexion
6.2 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Masterarbeit hat zum Ziel, eine technologieunabhängige Referenzarchitektur für SaaS-IoT-Anwendungen zu entwerfen, die auf Microservices basiert. Die zentrale Forschungsfrage untersucht, welche Anforderungen an eine solche Architektur gestellt werden und wie diese unter Berücksichtigung theoretischer Ansätze – insbesondere aus den Bereichen Big Data, Microservices und Mandantenfähigkeit – in einem designorientierten Modell umgesetzt werden können, wobei die Anwendbarkeit anhand eines Use-Cases (Logistikplattform) validiert wird.
- Analyse und Ableitung von Anforderungen aus bestehenden IoT- und SaaS-Modellen
- Entwurf einer konzeptionellen, technologieunabhängigen Referenzarchitektur
- Untersuchung von Big-Data-Architekturansätzen (Lambda/Kappa) für IoT-Datenströme
- Konzeptualisierung von Microservice-Strukturen und Mandantenfähigkeit
- Validierung des Architekturmodells anhand eines logistikbasierten Use-Cases
Auszug aus dem Buch
3.1.1 Lambda-Architektur
Die Lambda Architektur ist ein Architekturansatz für Echtzeit-Big-Data Systeme, der auf Nathan Marz zurückgeht. Das Grundprinzip wird in der folgenden Abbildung dargestellt.
Die Architektur beschreibt drei verschiedene Layer, die verschiedene Herausforderungen bzw. Anforderungen von Echtzeit-Big-Data Systemen abdecken sollen. Der Batch-Layer beinhaltet alle Daten, das Master dataset. Dort werden laufend Funktionen auf der Menge aller Daten ausgeführt und damit Batch views erzeugt, die im Serving Layer gespeichert werden. Der Batch-Layer hat damit eine hohe Latenz und erfüllt die Anforderung „Echtzeitdaten“ nicht. Der Serving Layer hält die berechneten Batch views und ermöglicht es diese performant abzufragen.
Der Speed Layer ist dafür zuständig die Anforderung „Echtzeitdaten“ zu erfüllen. Hier werden neue Daten direkt berechnet und aufbereitet, die in den Batch views im Serving Layer nicht vorhanden sind (Delta von Serving Layer zu aktuellem Zeitpunkt). Dabei werden Realtime views aufgebaut. Anfragen an das System werden durch eine Zusammenführung der Ergebnisse von Abfragen an den Serving Layer und den Speed Layer beantwortet. Damit ist eine Abfrage von sehr großen Datenmengen mit einer niedrigen Latenz performant möglich. Die Funktionsweise der einzelnen Layer wird in den folgenden Unterkapiteln näher erläutert.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Problemstellung, den aktuellen Stand der Forschung sowie das Ziel und die Vorgehensweise der Arbeit.
2 Anforderungen Referenzarchitektur: Leitet auf Basis von Literaturstudien zu IoT-Referenzarchitekturen und SaaS-Prinzipien funktionale und nicht-funktionale Anforderungen ab.
3 Theoretische Grundlagen: Analysiert relevante Big-Data-Ansätze, Microservice-Konzepte und Mechanismen zur Mandantenfähigkeit als Basis für das Architekturdesign.
4 IoT-Referenzarchitektur: Entwirft und beschreibt die konzeptionelle IoT-Referenzarchitektur für SaaS-Anwendungen unter Berücksichtigung der zuvor definierten Anforderungen.
5 Use-Case Logistikplattform: Validiert die entwickelte Referenzarchitektur durch eine praktische Ausprägung am Beispiel einer Logistikplattform.
6 Reflexion und Ausblick: Reflektiert die Ergebnisse der Arbeit im Hinblick auf die Forschungsfragen und bietet einen Ausblick auf technologische Umsetzungsaspekte.
Schlüsselwörter
Internet of Things, IoT, SaaS, Software as a Service, Referenzarchitektur, Microservices, Big Data, Mandantenfähigkeit, Lambda-Architektur, Kappa-Architektur, Logistikplattform, Systemarchitektur, Datenmodell, Cloud Computing, Echtzeitverarbeitung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf einer konzeptionellen und technologieunabhängigen IoT-Referenzarchitektur, die speziell für SaaS-Anwendungen auf Basis von Microservices entwickelt wurde.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die zentralen Felder sind die Strukturierung von IoT-Plattformen, Microservice-Architekturkonzepte, Ansätze zur Mandantenfähigkeit im SaaS-Kontext sowie Big-Data-Architekturansätze wie die Lambda- und Kappa-Architektur.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Hauptziel ist es, eine Referenzarchitektur zu definieren, die sowohl die Anforderungen an die Verarbeitung von IoT-Daten als auch die mandantenfähigen Anforderungen von SaaS-Modellen erfüllt.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein gestaltungsorientierter Ansatz der Wirtschaftsinformatik gewählt, der eine Analysephase (Literaturrecherche), eine Designphase (Modellierung) und eine Evaluationsphase (Use-Case-Validierung) umfasst.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden Anforderungen aus der Literatur abgeleitet, theoretische Architekturansätze bewertet, die Referenzarchitektur detailliert spezifiziert und diese schließlich anhand eines Use-Cases für eine Logistikplattform auf ihre Praxistauglichkeit geprüft.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Internet of Things (IoT), SaaS, Microservices, Referenzarchitektur, Big Data, Mandantenfähigkeit und Echtzeitverarbeitung sind die bestimmenden Fachbegriffe.
Warum ist die Mandantenfähigkeit ein Kernaspekt der Arbeit?
Da es sich um SaaS-Anwendungen handelt, bei denen sich viele Kunden eine gemeinsame Infrastruktur teilen, ist die Trennung und sichere Verwaltung von Mandantendaten essenziell, was die Architektur maßgeblich beeinflusst.
Wie wird das Problem der Echtzeitverarbeitung in der Architektur gelöst?
Die Architektur orientiert sich an Big-Data-Prinzipien (ähnlich der Kappa-Architektur), um Daten asynchron über Nachrichtenbroker zu verarbeiten, was Skalierbarkeit und geringe Latenz bei der Analyse von Gerätedaten ermöglicht.
- Arbeit zitieren
- Michael Bockheim (Autor:in), 2020, Neue digitale Services für Kunden. Entwurf einer IoT-Referenzarchitektur für SaaS-Anwendungen auf Basis von Microservices, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/996604
