Redes de Comunicacao para IoT: mudanças entre as edições
Sem resumo de edição |
|||
| (44 revisões intermediárias pelo mesmo usuário não estão sendo mostradas) | |||
| Linha 1: | Linha 1: | ||
=Redes de Comunicação para IoT= | =Redes de Comunicação para IoT= | ||
==Conceitos sobre Internet das Coisas== | |||
A ideia principal da '''Internet das Coisas''' (IoT) é conectar '''coisas''' (sensores, atuadores, dispositivos, máquinas, pessoas etc) e realizar o armazenamento e processamento de dados na nuvem da Internet para fins de monitoramento e controle. | |||
Os '''requisitos fundamentais''' para monitorar coisas em qualquer lugar do mundo são <ref name=FromHypeToReality>Ammar Rayes & Samer Salam. [[Media:InternetOfThingsFromHypeToReality.pdf|Internet of Things From Hype to Reality]]: The Road to Digitization, Springer, 2019.</ref>: | |||
*'''identificação única''' para as coisas; | |||
*habilidade de '''sensoriamento''' (ou '''atuação''') de alguma informação sobre as coisas; | |||
*habilidade de '''comunicação''' entre as coisas e a Internet; | |||
*habilidade de '''controle e gerenciamento''' das coisas. | |||
===Identificação única para as coisas=== | |||
Muitas aplicações de IoT utilizam identificação dos objetos usando '''RFID''' (''Radio Frequency Identification''), a qual permite identificar objetos a partir de informações gravadas em uma ''tag''. A ''tag'' é formada por um microchip com informações gravadas e uma antena para receber e transmitir sinal. O leitor lê as informações gravadas na ''tag'' por meio de um rádio transmissor e receptor e passa para um programa para análise do código RFID. | |||
Para dispositivos conectados à '''Internet''' a identificação única pode também ser realizada por um '''endereço IP''', entretanto, isto pode trazer limitações em função da versão do protocolo IP utilizado. | |||
==Uma Arquitetura para Internet das Coisas== | |||
Com o intuito de conectar coisas, poderíamos pensar numa arquitetura em camadas como ilustrado na figura: | |||
[[Arquivo:Arquitetura-IoT.png]] (adaptado de <ref name=FromHypeToReality/>) | |||
Proposta de arquitetura em quatro camadas para Internet das coisas: | |||
#Na primeira camada desta arquitetura estariam os '''dispositivos sensores e atuadores''' transmitindo (ou recebendo) pequenas mensagens de dados diretamente ou até gateways conectados a Internet. | |||
#A segunda camada seria a camada de '''conectividade em rede para Internet das Coisas''', transportando dados entre os dispositivos e a nuvem da Internet. A conectividade em rede pode envolver subsistema de '''computação em névoa''', com processamento descentralizado entre dispositivos próximos. | |||
#A terceira camada seria uma '''plataforma de serviços para Internet das Coisas''', comumente hospedada na nuvem da Internet, conectando as coisas com as aplicações e provendo mecanismos e ferramentas para gerenciamento e tratamento das informações. Esta plataforma pode também utilizar dados de outras fontes ou sistemas para complementar as informações coletadas pelos sensores. | |||
#A quarta camada seria a '''camada de aplicação''', dedicada a uma aplicação específica, para operar e fornecer a '''interface usuário''' a um '''sistema de Internet das Coisas'''. | |||
==Arquitetura Internet== | |||
As '''aplicações Web''' que conhecemos são suportadas pela '''[[Arquitetura Internet|arquitetura Internet]]''' com quatro camadas de protocolos: | |||
*'''Camada de enlace/física''', responsável pela comunicação entre computadores diretamente conectados através de um enlace, normalmente implementada numa interface de rede, como nas redes locais '''Ethernet''' ou '''Wifi'''. | |||
*'''Camada de rede''', cujo principal componente é o protocolo '''IP'''. | |||
*'''Camada de transporte''', com os protocolos '''TCP''' e '''UDP'''. | |||
*'''Camada de aplicação''', cada qual com seu protocolo específico, como por exemplo o protocolo '''HTTP''' da aplicação Web. | |||
===Limitações da arquitetura Internet para Internet das Coisas=== | |||
*Na Internet das Coisas muitos '''dispositivos sensores e atuadores''' são '''restritos em termos de processamento, memória e consumo de energia''', o que limita a capacidade de implementar a pilha completa dos protocolos da Internet em cada dispositivo <ref name=Costa>Francis da Costa. [[Media:Rethinking-Internet-Of-Things-Book.pdf|Rethinking Internet of Things]]: A scalable approach to connecting everything. Apress Open, 2013.</ref>. | |||
*O '''modelo cliente/servidor''', comumente utilizado na Web, não é apropriado para as aplicações de Internet das Coisas. Na Internet das Coisas os dados fluem em um sentido, dos sensores para a Internet, ou em sentido contrário no caso de atuadores. Além disto, podemos ter múltiplos sensores e também múltiplas aplicações com interesse na informação dos sensores. Portanto, o modelo de comunicação mais apropriado para este tipo de aplicação é o '''modelo publicador/subscritor''', como no protocolo '''[[MQTT]]'''. | |||
==Protocolos de Comunicação para IoT== | |||
===Camada de Enlace para sensores e atuadores=== | |||
Os '''dispositivos sensores e atuadores''' geralmente são '''restritos em termos de processamento, memória e consumo de energia'''. Portanto, dependendo da aplicação e do ambiente onde ficará localizado o sensor ou atuador, diferentes tecnologias de enlace podem ser utilizadas, como: | |||
*'''Ethernet''' ou '''Wifi''', para ambientes internos e dispositivos com boa capacidade de processamento e provimento de energia; | |||
*'''Bluetooth''' ou '''Bluetooth Low Energy''' ('''BLE'''), para curtas distâncias e baixa taxa de transmissão; | |||
*'''[[LoRa WAN]]''' (''Long Range – Wide Area Networks''), para ambientes externos e longas distâncias, como nas aplicações de agricultura<ref name=Costa/> <ref name=IoT5days>Antonio Liñán Colina, Alvaro Vives, Marco Zennaro, Antoine Bagula, Ermanno Pietrosemoli.[https://archive.org/details/IoT5days Internet of Things in Five Days], Internet Archive, 2016. </ref>; | |||
*'''[[IEEE 802.15.4]]''', como as redes '''Zigbee''', para ambientes industriais <ref name=Costa/> <ref name=IoT5days/>. | |||
===Camada Rede para IoT=== | |||
Para dispositivos conectados à '''Internet''' um '''endereço IP''' pode ser utilizado como '''identificação única''' dos objetos , entretanto, isto pode trazer limitações em função da versão do protocolo IP utilizado: | |||
*'''[[Enderecamento IP|IPv4]]''', atualmente em uso na Internet, tem limitações em função do número de endereços disponíveis; | |||
*'''[[IPv6]]''', possui endereçamento suficiente para os bilhões, ou mais, de dispositivos de IoT, entretanto ainda não está complemente operacional. | |||
Para '''dispositivos com hardware limitado''' que necessitem de um endereço '''IPv6''' e que utilizam enlaces '''IEEE 802.15.4''', foi desenvolvido o padrão '''[[6LowPAN]]''' <ref name=IoT5days/>que adapta o IPv6 para as limitações de tamanho do quadro impostas pelo quadro do enlace utilizado. | |||
'''Dispositivos com hardware limitado''', que não necessitem de um endereço IP exclusivo, podem enviar seus dados a um '''''gateway''''' intermediário, que por sua vez encaminha as informações a nuvem da Internet. Neste caso, os dispositivos são identificados por seus respectivos ''gateways'' na Internet. Além disto, '''''gateways'' remotos''' podem utilizar as redes de '''telefonia móvel''', como '''4G''' e '''5G''', como conexão com a Internet. | |||
===Camada de Transporte para Internet das Coisas=== | |||
A camada de transporte da Internet é baseada nos protocolos '''[[Protocolo TCP|TCP]]''' e '''[[Protocolo UDP|UDP]]'''. | |||
O '''TCP''' é o principal protocolo utilizado na Web. É um protocolo '''orientado a conexão''', que utiliza '''reconhecimentos e retransmissões''' para oferecer um serviço de transmissão garantida de informações. Estas características do TCP não são adequadas para a comunicação entre os dispositivos de IoT. Por exemplo, para um sensor que envia periodicamente dados de uma grandeza medida, a perda de um dado pode não ser crítica, uma vez que a informação é redundante em função do número de medidas realizadas. | |||
Portanto, na '''Internet das Coisas''', a comunicação entre dispositivos pode ser mais eficiente com o uso do protocolo '''UDP'''. Uma mensagem transmitida pelo protocolo UDP é simplesmente enviada. Não há reconhecimentos ou retransmissões. | |||
===Camada Aplicação para Internet das Coisas=== | |||
O modelo '''cliente/servidor''' utilizado pelas aplicações '''Web''' não é apropriado para as aplicações de IoT. | |||
Para aplicações de IoT o modelo de comunicação mais apropriado é o '''publicador/subscritor''', como utilizado no protocolo '''[[MQTT]]''' (''Message Queue Telemetry Transport''). | |||
Por outro lado, caso seja necessária uma comunicação direta com um dispositivo de IoT utilizando o modelo '''cliente/servidor''', um protocolo alternativo é o '''[[CoAP]]''' (''Constrained Application Protocol''), o qual é uma '''alternativa mais leve''' ao '''HTTP''', com alvo nos dispositivos limitados em termos de energia e interface de comunicação. O '''CoAP''' usa '''UDP''', ao invés do '''TCP''', reduzindo o ''overhead'' de mensagens ocasionado pela abertura e encerramento de uma conexão, assim como reconhecimentos e retransmissões. | |||
===Síntese da arquitetura de redes para IoT=== | |||
[[Arquivo:Arquitetura_Redes_IoT.png]] | |||
==Referências== | ==Referências== | ||
Edição atual tal como às 16h53min de 25 de janeiro de 2022
Redes de Comunicação para IoT
Conceitos sobre Internet das Coisas
A ideia principal da Internet das Coisas (IoT) é conectar coisas (sensores, atuadores, dispositivos, máquinas, pessoas etc) e realizar o armazenamento e processamento de dados na nuvem da Internet para fins de monitoramento e controle.
Os requisitos fundamentais para monitorar coisas em qualquer lugar do mundo são [1]:
- identificação única para as coisas;
- habilidade de sensoriamento (ou atuação) de alguma informação sobre as coisas;
- habilidade de comunicação entre as coisas e a Internet;
- habilidade de controle e gerenciamento das coisas.
Identificação única para as coisas
Muitas aplicações de IoT utilizam identificação dos objetos usando RFID (Radio Frequency Identification), a qual permite identificar objetos a partir de informações gravadas em uma tag. A tag é formada por um microchip com informações gravadas e uma antena para receber e transmitir sinal. O leitor lê as informações gravadas na tag por meio de um rádio transmissor e receptor e passa para um programa para análise do código RFID.
Para dispositivos conectados à Internet a identificação única pode também ser realizada por um endereço IP, entretanto, isto pode trazer limitações em função da versão do protocolo IP utilizado.
Uma Arquitetura para Internet das Coisas
Com o intuito de conectar coisas, poderíamos pensar numa arquitetura em camadas como ilustrado na figura:
(adaptado de [1])
Proposta de arquitetura em quatro camadas para Internet das coisas:
- Na primeira camada desta arquitetura estariam os dispositivos sensores e atuadores transmitindo (ou recebendo) pequenas mensagens de dados diretamente ou até gateways conectados a Internet.
- A segunda camada seria a camada de conectividade em rede para Internet das Coisas, transportando dados entre os dispositivos e a nuvem da Internet. A conectividade em rede pode envolver subsistema de computação em névoa, com processamento descentralizado entre dispositivos próximos.
- A terceira camada seria uma plataforma de serviços para Internet das Coisas, comumente hospedada na nuvem da Internet, conectando as coisas com as aplicações e provendo mecanismos e ferramentas para gerenciamento e tratamento das informações. Esta plataforma pode também utilizar dados de outras fontes ou sistemas para complementar as informações coletadas pelos sensores.
- A quarta camada seria a camada de aplicação, dedicada a uma aplicação específica, para operar e fornecer a interface usuário a um sistema de Internet das Coisas.
Arquitetura Internet
As aplicações Web que conhecemos são suportadas pela arquitetura Internet com quatro camadas de protocolos:
- Camada de enlace/física, responsável pela comunicação entre computadores diretamente conectados através de um enlace, normalmente implementada numa interface de rede, como nas redes locais Ethernet ou Wifi.
- Camada de rede, cujo principal componente é o protocolo IP.
- Camada de transporte, com os protocolos TCP e UDP.
- Camada de aplicação, cada qual com seu protocolo específico, como por exemplo o protocolo HTTP da aplicação Web.
Limitações da arquitetura Internet para Internet das Coisas
- Na Internet das Coisas muitos dispositivos sensores e atuadores são restritos em termos de processamento, memória e consumo de energia, o que limita a capacidade de implementar a pilha completa dos protocolos da Internet em cada dispositivo [2].
- O modelo cliente/servidor, comumente utilizado na Web, não é apropriado para as aplicações de Internet das Coisas. Na Internet das Coisas os dados fluem em um sentido, dos sensores para a Internet, ou em sentido contrário no caso de atuadores. Além disto, podemos ter múltiplos sensores e também múltiplas aplicações com interesse na informação dos sensores. Portanto, o modelo de comunicação mais apropriado para este tipo de aplicação é o modelo publicador/subscritor, como no protocolo MQTT.
Protocolos de Comunicação para IoT
Camada de Enlace para sensores e atuadores
Os dispositivos sensores e atuadores geralmente são restritos em termos de processamento, memória e consumo de energia. Portanto, dependendo da aplicação e do ambiente onde ficará localizado o sensor ou atuador, diferentes tecnologias de enlace podem ser utilizadas, como:
- Ethernet ou Wifi, para ambientes internos e dispositivos com boa capacidade de processamento e provimento de energia;
- Bluetooth ou Bluetooth Low Energy (BLE), para curtas distâncias e baixa taxa de transmissão;
- LoRa WAN (Long Range – Wide Area Networks), para ambientes externos e longas distâncias, como nas aplicações de agricultura[2] [3];
- IEEE 802.15.4, como as redes Zigbee, para ambientes industriais [2] [3].
Camada Rede para IoT
Para dispositivos conectados à Internet um endereço IP pode ser utilizado como identificação única dos objetos , entretanto, isto pode trazer limitações em função da versão do protocolo IP utilizado:
- IPv4, atualmente em uso na Internet, tem limitações em função do número de endereços disponíveis;
- IPv6, possui endereçamento suficiente para os bilhões, ou mais, de dispositivos de IoT, entretanto ainda não está complemente operacional.
Para dispositivos com hardware limitado que necessitem de um endereço IPv6 e que utilizam enlaces IEEE 802.15.4, foi desenvolvido o padrão 6LowPAN [3]que adapta o IPv6 para as limitações de tamanho do quadro impostas pelo quadro do enlace utilizado.
Dispositivos com hardware limitado, que não necessitem de um endereço IP exclusivo, podem enviar seus dados a um gateway intermediário, que por sua vez encaminha as informações a nuvem da Internet. Neste caso, os dispositivos são identificados por seus respectivos gateways na Internet. Além disto, gateways remotos podem utilizar as redes de telefonia móvel, como 4G e 5G, como conexão com a Internet.
Camada de Transporte para Internet das Coisas
A camada de transporte da Internet é baseada nos protocolos TCP e UDP.
O TCP é o principal protocolo utilizado na Web. É um protocolo orientado a conexão, que utiliza reconhecimentos e retransmissões para oferecer um serviço de transmissão garantida de informações. Estas características do TCP não são adequadas para a comunicação entre os dispositivos de IoT. Por exemplo, para um sensor que envia periodicamente dados de uma grandeza medida, a perda de um dado pode não ser crítica, uma vez que a informação é redundante em função do número de medidas realizadas.
Portanto, na Internet das Coisas, a comunicação entre dispositivos pode ser mais eficiente com o uso do protocolo UDP. Uma mensagem transmitida pelo protocolo UDP é simplesmente enviada. Não há reconhecimentos ou retransmissões.
Camada Aplicação para Internet das Coisas
O modelo cliente/servidor utilizado pelas aplicações Web não é apropriado para as aplicações de IoT.
Para aplicações de IoT o modelo de comunicação mais apropriado é o publicador/subscritor, como utilizado no protocolo MQTT (Message Queue Telemetry Transport).
Por outro lado, caso seja necessária uma comunicação direta com um dispositivo de IoT utilizando o modelo cliente/servidor, um protocolo alternativo é o CoAP (Constrained Application Protocol), o qual é uma alternativa mais leve ao HTTP, com alvo nos dispositivos limitados em termos de energia e interface de comunicação. O CoAP usa UDP, ao invés do TCP, reduzindo o overhead de mensagens ocasionado pela abertura e encerramento de uma conexão, assim como reconhecimentos e retransmissões.
Síntese da arquitetura de redes para IoT
Referências
- ↑ 1,0 1,1 Ammar Rayes & Samer Salam. Internet of Things From Hype to Reality: The Road to Digitization, Springer, 2019.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 Francis da Costa. Rethinking Internet of Things: A scalable approach to connecting everything. Apress Open, 2013.
- ↑ 3,0 3,1 3,2 Antonio Liñán Colina, Alvaro Vives, Marco Zennaro, Antoine Bagula, Ermanno Pietrosemoli.Internet of Things in Five Days, Internet Archive, 2016.
Evandro.cantu (discussão) 17h29min de 24 de janeiro de 2022 (-03)
