Redes de Comunicacao 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 :

• 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 )

Proposta de arquitetura em quatro camadas para Internet das coisas:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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 .
• 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 ;
• IEEE 802.15.4, como as redes Zigbee, para ambientes industriais .

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 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

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Evandro.cantu (discussão) 17h29min de 24 de janeiro de 2022 (-03)

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