Che cos'è un gateway IoT e come sceglierlo?

L'ecosistema IoT è tipicamente costituito da dispositivi finali, gateway IoT e una piattaforma cloud. La comunicazione comm tra questi diversi componenti è abilitata per mezzo di diversi protocolli di communicazione. L'interesse principale di questo articolo riguarda il gateway IoT che è responsabile della traduzione di questi diversi protocolli di communicazione. Si tratta di un concetto molto simile a quello utilizzato nelle telecomunicazioni, che emula lo stesso principio di funzionamento del router Internet.

Tuttavia, il router Internet collega i dispositivi connessi alla rete domestica con la rete locale (LAN) del provider di servizi Internet (ISP), mentre nel caso di un gateway IoT il gateway collega più sensori di diversi tipi e configurazioni a una piattaforma cloud.  

Sfide dell'implementazione IoT

Prima di approfondire il principio di funzionamento dell'IoT, è opportuno esaminare alcune delle sfide di implementazione che si impongono ai sistemi IoT e che portano all'utilizzo di un gateway IoT.

1. Problema di connettività

La connettività tra i dispositivi e la piattaforma cloud è un problema critico nel dominio IoT. Poiché la maggior parte dei dispositivi finali sono ottimizzati per l'efficienza energetica e non sono quindi in grado di connettersi direttamente a Internet o alla rete WAN (Wide Area Network). Al contrario, questi dispositivi vengono solitamente utilizzati su reti radio eterogenee, come ad esempio ZigBee, BLE, Z-Wave, LORAWAN, ecc. - per trasferire i dati. Per risolvere questo problema, i dispositivi IoT possono assumere due forme:

• I dispositivi e i sensori edge-level forniranno un percorso diretto al cloud.
• I dispositivi e i sensori di livello edge formeranno aggregazioni e cluster attorno a gateway e router tra i sensori e la WAN.

La prima forma è costosa e richiede dispositivi dotati di moduli di connettività di rete integrati, come 2G/3G, Wi-Fi, Ethernet, ecc. Alcuni dei protocolli più diffusi utilizzati per la communicazione tra i dispositivi e la piattaforma cloud sono Constrained Application Protocol (CoAP), Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), HTTP, Advanced Message Queuing Protocol (AMQP), ecc. I dispositivi devono avere una potenza di calcolo e un supporto I/O sufficienti. Inoltre, questi dispositivi non supportano gli aggiornamenti del firmware over-the-air (OTA), quindi l'utente finale è responsabile dell'aggiornamento del firmware del dispositivo.

Pertanto, una soluzione più ideale ed economica sarebbe la seconda forma, in cui i dispositivi con reti radio a bassa potenza sono aggregati a un gateway IoT centrale per connettersi alla piattaforma cloud.

2. La sfida dell'interoperabilità

A causa dell'uso di dispositivi di diversi fornitori e di diverse configurazioni, l'interoperabilità è una delle maggiori sfide dell'IoT su larga scala. Esistono due tipi di protocolli utilizzati nelle applicazioni IoT. I protocolli Southbound sono i protocolli che consentono la communicazione verso il dispositivo e che mirano a conservare l'energia dei dispositivi finali alimentati a batteria. Ne sono un esempio ZigBee, Modbus, LoRaWAN. I protocolli Northbound sono responsabili dell'abilitazione della communicazione verso la piattaforma cloud, che sono altamente sicuri e si basano sul meccanismo publish/subscribe. CoAP, HTTPS, MQTT e AMQP sono alcuni dei protocolli northbound più diffusi.

Un'applicazione IoT utilizza entrambi questi tipi di protocolli. Pertanto, è necessario utilizzare una soluzione che consenta una corretta armonia tra questi protocolli.  

3. Sfida alla sicurezza

La sicurezza è una delle principali preoccupazioni quando si tratta di dati inviati dai sensori al cloud. Questi dati devono essere protetti per proteggere la privacy degli utenti e difendere i consumatori da azioni fraudolente. I protocolli Southbound forniscono meccanismi di sicurezza quali whitelisting, attivazione OTA e crittografia. Mentre i dispositivi in communicazione con una piattaforma cloud devono autorizzarsi con il server e criptare i dati prima di trasmetterli alla piattaforma cloud. Dovrebbe esistere un meccanismo armonico per controllare questi requisiti di sicurezza in un'applicazione IoT.

4. Sfida del filtraggio e dell'elaborazione dei dati

Nell'architettura con connessione diretta al cloud, tutti i dati vengono inviati al cloud, il che non è ideale in quanto possono esserci dati non necessari, che d'altra parte sprecano larghezza di banda. Inoltre, i dati potrebbero andare persi in caso di interruzione della connettività. Pertanto, è essenziale trovare una soluzione per mitigare questa sfida.

Come funziona un gateway IoT?

Dopo aver identificato alcune delle sfide esistenti nelle applicazioni IoT, è giunto il momento di valutare come un gateway IoT possa affrontarle.

Come abbiamo visto nel caso del problema della connettività, collegare un gran numero di dispositivi a un gateway IoT ridurrebbe idealmente il costo e la complessità delle applicazioni IoT. Ciò può essere realizzato grazie alla funzione di routing abilitata nei gateway IoT. Un gateway IoT supporta protocolli di routing come Border Gateway Protocol (BGP), Open Shortest Path First (OSPF), Routing Information Protocol (RIP) e RIPng. La destinazione corrispondente a un determinato pacchetto di dati viene realizzata utilizzando una tabella di routing.

Per affrontare la sfida dell'interoperabilità, i gateway IoT fungono da ponte tra i dispositivi IoT e la piattaforma cloud. Un gateway IoT si connette ai dispositivi finali tramite specifici protocolli southbound, quindi memorizza e analizza tutti i dati necessari dai dispositivi e li invia ai server cloud tramite protocolli northbound per l'elaborazione e l'analisi. Questo processo è chiamato traduzione di protocollo. Inoltre, questo processo è bidirezionale e consente la communicazione su entrambi i lati.

Per realizzare una connessione sicura, il gateway IoT svolge un ruolo fondamentale. La forma di sicurezza di base nelle communicazioni è l'utilizzo di un firewall. Nel caso dei gateway IoT, essi utilizzano un firewall di rete che filtra e controlla il flusso di informazioni da una rete all'altra. Questo fornisce un'autorizzazione adeguata sul traffico di rete che entra nella rete e garantisce che vengano aperte solo le porte necessarie tramite meccanismi come il port forwarding. L'onboarding sicuro del dispositivo è un'altra funzione di sicurezza abilitata dai gateway IoT per la prima configurazione di un dispositivo. Ciò consente una corretta crittografia.

Il filtraggio e l'elaborazione dei dati sono realizzati dall'edge computing, dove i dati grezzi vengono aggregati, correlati e sincronizzati per ridurre il volume dei dati e la latenza di rete. Dopo aver svolto queste funzioni di edge computing, i dati pre-elaborati vengono trasferiti alla piattaforma cloud. In questo modo si ridurranno notevolmente i costi di utilizzo di dispositivi finali e sensori ad alta capacità. Oltre alle funzioni sopra menzionate, l'edge computing è in grado di utilizzare le seguenti tecniche per attenuare il problema del filtraggio e dell'elaborazione dei dati:

• Dati di denaturazione
• Analisi della sicurezza e del rilevamento delle intrusioni
• Gestione delle chiavi
• Motori di regole/elaboratori di eventi
• Caching e archiviazione

Caratteristiche dei gateway IoT

Le caratteristiche dei gateway IoT dipendono fortemente dalle applicazioni specifiche e dai requisiti di prestazione. Tuttavia, è possibile identificare alcune caratteristiche di base impiegate solo per applicazioni IoT di base e caratteristiche avanzate richieste da gateway IoT più complessi, come i gateway IoT industriali. Le caratteristiche più importanti sono:

• Connettività del dispositivo nonostante le caratteristiche, le dimensioni e la configurazione del dispositivo e il protocollo di comunicazione co1TP8.
• I gateway IoT forniscono miglioramenti alla sicurezza dell'applicazione IoT e ne rafforzano la sicurezza.
• Sono in grado di fornire metriche e analisi sull'applicazione IoT, tra cui: utilizzo dei dati, integrità del segnale, numero di eventi di guasto, utilizzo della larghezza di banda, stato di salute della rete e dettagli sui dispositivi e i client connessi.
• Consentono il traffic shaping e la qualità del servizio (QoS), utili nelle implementazioni che richiedono un livello di servizio garantito in caso di congestione o carico di rete variabile.
• Alcuni gateway IoT sono in grado di svolgere funzioni VLAN, che consentono di segmentare la rete di dispositivi o utenti in base ai requisiti dell'applicazione.
• Il failover e la gestione fuori banda sono alcune delle caratteristiche avanzate delle applicazioni che coinvolgono dispositivi finali altamente mobili.
• Alcuni gateway IoT forniscono un firmware personalizzabile che consente aggiornamenti OTA, molto utili per i nodi IoT di grandi dimensioni.
• I gateway IoT sono in grado di eseguire l'edge computing a seconda delle specifiche e dei requisiti dell'applicazione.
• Forniscono estensibilità nell'integrazione di dispositivi di diversi protocolli e configurazioni e anche di diverse piattaforme cloud.

Quali sono i vantaggi dell'utilizzo di un gateway IoT?

• L'utilizzo di un gateway IoT ridurrà il time-to-market grazie alla pre-integrazione di più interfacce di protocollo e scenari d'uso.
• L'architettura plug-and-play consentirebbe una facile integrazione dei dispositivi finali e ridurrebbe significativamente il tempo necessario per aggiungere nuove interfacce di protocollo in direzione sud e nord.
• La capacità di edge computing migliorerà i tempi di risposta e ridurrà le latenze di rete. D'altra parte, questo ridurrà i costi di trasmissione e migliorerà l'analisi dei dati nella piattaforma cloud.
• I gateway IoT rafforzeranno la sicurezza della rete e gestiranno il traffico di rete senza problemi, garantendo così la protezione dei dati e la privacy.
• Possono supportare protocolli di communicazione sia cablati che wireless, consentendo un'ampia gamma di applicazioni.

Come scegliere il gateway IoT giusto?

Considerate questi fattori nella scelta del candidato giusto per la vostra applicazione IoT o Industrial IoT.

• Definire correttamente l'obiettivo dell'utilizzo di un gateway IoT. Il gateway deve fornire analisi dei dati o metriche delle prestazioni?
• Valutate il volume di dati e la velocità di trasferimento dei dati che il vostro gateway deve gestire. Avete migliaia o centinaia di sensori? Qual è la velocità di registrazione e trasferimento dei dati da parte dei sensori?
• Identificate se avete bisogno di filtraggio, aggregazione, caching o archiviazione dei dati. Scegliete i gateway con le funzionalità di edge computing richieste.
• Dove sarà installato il gateway? Identificare i diversi standard che devono essere soddisfatti dal gateway.
• Verificare la presenza di certificazioni corrette. I modelli di gateway devono essere prodotti elettronici certificati FCC/CE/IC.
• Quali sono le caratteristiche di sicurezza richieste?
• Quali sono i protocolli di comunicazione co1TP8 utilizzati dai dispositivi finali e dalla piattaforma cloud? Sono supportati dal gateway?
• Infine, verificate se la vostra applicazione richiede funzioni personalizzate in futuro e controllate le opzioni di personalizzazione del gateway.