O que é um gateway IoT e como escolher um?

O ecossistema IoT é normalmente constituído por dispositivos finais, gateways IoT e uma plataforma em nuvem. A comunicação entre estes diferentes componentes é efectuada através de diferentes protocolos de comunicação. O principal interesse deste artigo é o gateway IoT, que é responsável pela tradução destes diferentes protocolos de comunicação co1TP14. Este conceito é muito semelhante ao utilizado nas comunicações telefónicas, emulando o mesmo princípio de funcionamento do seu router de Internet.

No entanto, o router de Internet ligaria os dispositivos ligados à sua rede doméstica à rede local (LAN) do seu fornecedor de serviços Internet (ISP), mas no caso de um gateway IoT, o gateway ligaria vários sensores de diferentes tipos e configurações a uma plataforma em nuvem.  

Desafios da implantação da IoT

Agora, antes de analisar mais pormenorizadamente o princípio de funcionamento da IoT, vale a pena analisar alguns dos desafios de implantação impostos aos sistemas IoT que levam à utilização de um gateway IoT.

1. Problema de conetividade

A conetividade entre os dispositivos e a plataforma de nuvem é uma questão crítica no domínio da IoT. Uma vez que a maioria dos dispositivos finais é optimizada para a eficiência energética e, por conseguinte, não é capaz de se ligar diretamente à Internet ou à rede de área alargada (WAN). Em vez disso, estes dispositivos são normalmente operados em redes de rádio heterogéneas, tais como ZigBee, BLE, Z-Wave, LORAWAN, etc. - para transferir dados. Para resolver este problema, os dispositivos IoT podem assumir duas formas:

• Os dispositivos e os sensores de ponta fornecerão um caminho direto para a nuvem.
• Os dispositivos e sensores ao nível da extremidade formarão agregações e clusters em torno de gateways e routers entre os sensores e a WAN.

A primeira forma é dispendiosa e exigiria dispositivos com módulos de conetividade de rede incorporados, como 2G/3G, Wi-Fi, Ethernet, etc. Alguns dos protocolos populares utilizados para a comunicação entre os dispositivos e a plataforma de nuvem são o Constrained Application Protocol (CoAP), o Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), o HTTP, o Advanced Message Queuing Protocol (AMQP), etc. Neste caso, os dispositivos devem ter capacidade de computação e suporte de E/S suficientes. Além disso, estes dispositivos não suportam actualizações de firmware over-the-air (OTA), pelo que o utilizador final é responsável pela atualização do firmware do dispositivo.

Por conseguinte, uma solução mais ideal e económica seria a segunda forma, em que os dispositivos com redes de rádio de baixa potência são agregados a um gateway IoT central para se ligarem à plataforma de nuvem.

2. Desafio da interoperabilidade

Devido à utilização de dispositivos de diferentes fornecedores e de diferentes configurações, a interoperabilidade é um dos maiores desafios da IdC em grande escala. Existem dois tipos de protocolos utilizados nas aplicações IoT. Os protocolos Southbound são os protocolos que permitem a comunicação com o dispositivo e que têm por objetivo conservar a energia dos dispositivos finais alimentados por bateria. Exemplos: ZigBee, Modbus, LoRaWAN. Os protocolos Northbound são responsáveis por permitir a comunicação comm com a plataforma de nuvem, que são altamente seguros e se baseiam no mecanismo de publicação/subscrição. CoAP, HTTPS, MQTT e AMQP são alguns dos protocolos de norte mais populares.

Uma aplicação IoT utilizaria estes dois tipos de protocolos. Por conseguinte, deve ser utilizada uma solução que permita uma harmonia adequada entre estes protocolos.  

3. Desafio de segurança

A segurança é uma das principais preocupações quando se trata de dados que são enviados de sensores para a nuvem. Estes dados devem ser protegidos para proteger a privacidade do utilizador e defender os consumidores contra acções fraudulentas. Os protocolos Southbound fornecem mecanismos de segurança como a lista branca, a ativação OTA e a encriptação. Por outro lado, os dispositivos que comunicam com uma plataforma em nuvem devem autorizar-se junto do servidor e encriptar os dados antes de os transmitirem para a plataforma em nuvem. Deve haver um mecanismo harmonioso para verificar estes requisitos de segurança numa aplicação IoT.

4. Filtragem de dados e desafio de processamento

Na arquitetura ligada diretamente à nuvem, todos os dados são enviados para a nuvem, o que não é ideal, pois podem existir alguns dados desnecessários, o que, por outro lado, desperdiçaria largura de banda. Além disso, os dados podem perder-se se houver uma falha de conetividade. Por conseguinte, é essencial encontrar uma solução para atenuar este desafio.

Como funciona um gateway IoT?

Depois de identificar alguns dos desafios existentes nas aplicações IoT, é agora altura de avaliar a forma como um gateway IoT pode resolver esses desafios.

Como vimos no caso do problema de conetividade, a ligação de um grande número de dispositivos a um gateway IoT reduziria idealmente o custo e a complexidade das aplicações IoT. Isto pode ser conseguido através da função de encaminhamento activada nas gateways IoT. Uma gateway IoT suportaria protocolos de encaminhamento como o Border Gateway Protocol (BGP), o Open Shortest Path First (OSPF), o Routing Information Protocol (RIP) e o RIPng. O destino correspondente a um determinado pacote de dados é determinado através de uma tabela de encaminhamento.

Para resolver o desafio da interoperabilidade, as gateways IoT actuam como uma ponte entre os dispositivos IoT e a plataforma de computação em nuvem. Um gateway IoT liga-se aos dispositivos finais através de protocolos específicos a sul e, em seguida, armazena e analisa todos os dados necessários dos dispositivos e envia os dados para os servidores em nuvem através de protocolos a norte para processamento e análise. Este processo é designado por tradução de protocolos. Além disso, este processo é bidirecional, permitindo a comunicação co1TP14 em ambos os lados.

No caso da realização de uma ligação segura, um gateway IoT desempenha um papel importante. A forma básica de segurança nas comunicações é utilizar uma firewall. No caso das gateways IoT, estas utilizam uma firewall de rede que filtra e controla o fluxo de informação de uma rede para outra. Isto proporciona uma autorização adequada sobre o tráfego de rede que entra na rede e assegura que apenas as portas necessárias são abertas através de mecanismos como o reencaminhamento de portas. A integração segura do dispositivo é outra funcionalidade de segurança activada pelos gateways IoT na configuração de um dispositivo pela primeira vez. Isto permite a encriptação adequada.

A filtragem e o processamento de dados são efectuados pela computação periférica, onde os dados em bruto são agregados, correlacionados e sincronizados para reduzir o volume de dados e a latência da rede. Após a execução destas funções de computação periférica, os dados pré-processados são transferidos para a plataforma de nuvem. Isto reduzirá em grande medida o custo da utilização de dispositivos finais e sensores de elevada capacidade. Para além das funções acima mencionadas, a computação periférica é capaz de utilizar as seguintes técnicas para atenuar o problema da filtragem e do processamento de dados:

• Dados de desnaturação
• Análise da segurança e da deteção de intrusões
• Gestão de chaves
• Motores de regras/processadores de eventos
• Armazenamento em cache e armazenamento

Caraterísticas dos gateways IoT

As caraterísticas das gateways IoT dependem muito da sua aplicação específica e dos requisitos de desempenho. No entanto, podemos identificar algumas das caraterísticas básicas commapenas utilizadas por aplicações IoT básicas e caraterísticas avançadas que são exigidas por gateways IoT mais complexas, como as gateways IoT industriais. As caraterísticas mais importantes são:

• Conectividade do dispositivo, apesar das caraterísticas, tamanho e configuração do dispositivo e do protocolo de comunicação co1TP14.
• Os gateways IoT fornecem melhorias de segurança à aplicação IoT e reforçam a segurança.
• São capazes de fornecer métricas e análises sobre a aplicação IoT, incluindo: utilização de dados, integridade do sinal, número de eventos de falha, utilização da largura de banda, estado da rede e pormenores sobre dispositivos e clientes ligados.
• Possibilitar a modelação do tráfego e a Qualidade de Serviço (QoS), que são úteis em implementações que necessitam de um nível de serviço garantido quando lidam com congestionamentos ou cargas de rede variáveis.
• Alguns gateways IoT têm capacidade para funções VLAN, em que a segmentação da rede de dispositivos ou utilizadores é efectuada em função dos requisitos da aplicação.
• O failover e a gestão fora de banda são algumas das funcionalidades avançadas em aplicações que envolvem dispositivos finais altamente móveis.
• Alguns gateways IoT fornecem firmware personalizável que permite actualizações OTA, o que é muito útil em nós IoT maciços.
• Os gateways IoT são capazes de efetuar computação periférica, dependendo das suas especificações e requisitos de aplicação.
• Proporcionam extensibilidade na integração de dispositivos de diferentes protocolos e configurações e também de diferentes plataformas de computação em nuvem.

Quais são as vantagens de utilizar um gateway IoT?

• A utilização de um gateway IoT reduzirá o tempo de colocação no mercado através da pré-integração de múltiplas interfaces de protocolo e cenários de utilização.
• A arquitetura "plug-and-play" permitiria uma fácil integração dos dispositivos finais e reduziria significativamente o tempo necessário para acrescentar novas interfaces de protocolo no sentido sul e norte.
• A capacidade de computação periférica melhorará o tempo de resposta e reduzirá as latências da rede. Por outro lado, isto reduzirá os custos de transmissão e melhorará a análise de dados na plataforma de computação em nuvem.
• Os gateways IoT reforçarão a segurança da rede e gerirão o tráfego da rede sem problemas, garantindo assim a proteção e a privacidade dos dados.
• Podem suportar protocolos de comunicação com e sem fios, permitindo uma vasta gama de aplicações.

Como escolher o gateway IoT correto?

Considere estes factores quando estiver a selecionar o candidato certo para a sua aplicação IoT ou IoT industrial.

• Defina corretamente o objetivo da utilização de um gateway IoT. O seu gateway deve fornecer-lhe análises de dados ou métricas de desempenho?
• Avalie o volume de dados e as taxas de transferência de dados necessários para serem tratados pelo seu gateway. Tem milhares ou centenas de sensores? Com que rapidez é que os sensores registam e transferem os dados?
• Identifique se necessita de filtragem, agregação, armazenamento em cache ou armazenamento de dados. Escolha as gateways com a funcionalidade de computação periférica necessária.
• Onde é que o gateway vai ser instalado? Identifique as diferentes normas que devem ser cumpridas pelo seu gateway.
• Verifique se as certificações estão corretas. Os modelos de gateway devem ser produtos electrónicos certificados pela FCC/CE/IC.
• Que caraterísticas de segurança são necessárias?
• Quais são os protocolos de comunicação comm necessários utilizados pelos seus dispositivos finais e pela plataforma de nuvem? São suportados pelo seu gateway?
• Por fim, verifique se a sua aplicação necessita de funcionalidades personalizadas no futuro e verifique as opções de personalização do gateway.