Что такое IoT-шлюз и как его выбрать?

Экосистема IoT обычно состоит из конечных устройств, IoT-шлюзов и облачной платформы. Связь между этими различными компонентами обеспечивается с помощью различных протоколов communication. Основной интерес в данной статье представляет IoT-шлюз, который отвечает за трансляцию этих различных протоколов communication. Это очень похожая концепция, используемая в телекоммуникациях, эмулирующая тот же принцип работы, что и ваш интернет-маршрутизатор.

Однако интернет-маршрутизатор соединяет устройства, подключенные к домашней сети, с локальной сетью (LAN) вашего интернет-провайдера (ISP), а в случае IoT-шлюза шлюз подключает множество датчиков различных типов и конфигураций к облачной платформе.  

Проблемы развертывания IoT

Теперь, прежде чем более подробно рассмотреть принцип работы IoT, стоит рассмотреть некоторые проблемы развертывания, которые накладываются на IoT-системы, что приводит к использованию IoT-шлюза.

1. Проблема подключения

Связь между устройствами и облачной платформой является критически важным вопросом в сфере IoT. Поскольку большинство конечных устройств оптимизированы для энергоэффективности и поэтому не способны напрямую подключаться к Интернету или глобальной сети (WAN). Вместо этого такие устройства обычно работают в гетерогенных радиосетях, таких как ZigBee, BLE, Z-Wave, LORAWAN, и т.д. - для передачи данных. Для решения этой проблемы IoT-устройства могут принимать две формы:

• Устройства и датчики на уровне границ обеспечат прямой путь к облаку.
• Устройства и датчики пограничного уровня будут образовывать скопления и кластеры вокруг шлюзов и маршрутизаторов между датчиками и глобальной сетью.

Первый способ является дорогостоящим и требует наличия устройств со встроенными модулями сетевого подключения, такими как 2G/3G, Wi-Fi, Ethernet и т. д. Некоторые из популярных протоколов, используемых для связи между устройствами и облачной платформой, - Constrained Application Protocol (CoAP), Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), HTTP, Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) и др. При этом устройства должны обладать достаточной вычислительной мощностью и поддержкой ввода-вывода. Кроме того, эти устройства не поддерживают обновление прошивки по воздуху (OTA), поэтому за обновление прошивки устройства отвечает конечный пользователь.

Поэтому более идеальным и экономически эффективным решением будет второй вариант, когда устройства с маломощными радиосетями объединяются в центральный IoT-шлюз для подключения к облачной платформе.

2. Проблема совместимости

Из-за использования устройств разных производителей и различных конфигураций совместимость является одной из самых больших проблем в широкомасштабной IoT. Существует два типа протоколов, используемых в приложениях IoT. Южные протоколы - это протоколы, обеспечивающие связь с устройством, которые направлены на экономию энергии конечных устройств, питающихся от батарей. Примерами являются ZigBee, Modbus, LoRaWAN. Протоколы северного направления отвечают за обеспечение связи communication с облачной платформой, которые отличаются высокой степенью безопасности и основаны на механизме публикации/подписки. CoAP, HTTPS, MQTT и AMQP - некоторые популярные северные протоколы.

В приложениях IoT будут использоваться оба этих типа протоколов. Поэтому необходимо использовать решение, обеспечивающее надлежащую гармонию между этими протоколами.  

3. Задача безопасности

Безопасность - одна из главных проблем, когда речь идет о данных, передаваемых с датчиков в облако. Эти данные должны быть защищены, чтобы обеспечить конфиденциальность пользователей и защитить их от мошеннических действий. Протоколы Southbound обеспечивают такие механизмы безопасности, как белые списки, OTA-активация и шифрование. Устройства, подключаемые к облачной платформе, должны авторизоваться на сервере и шифровать данные перед передачей на облачную платформу. Должен существовать гармоничный механизм проверки этих требований безопасности в IoT-приложениях.

4. Задача фильтрации и обработки данных

В архитектуре с прямым подключением к облаку все данные отправляются в облако, что не является идеальным вариантом, так как там могут оказаться ненужные данные, которые, с другой стороны, будут расходовать пропускную способность. Кроме того, данные могут быть потеряны при обрыве связи. Поэтому необходимо найти решение для решения этой проблемы.

Как работает IoT-шлюз?

После определения некоторых проблем, существующих в приложениях IoT, настало время оценить, как шлюз IoT будет решать эти проблемы.

Как мы видели в случае с проблемой подключения, соединение большого количества устройств в IoT-шлюз идеально снизит стоимость и сложность IoT-приложений. Это можно реализовать с помощью функции маршрутизации, включенной в IoT-шлюзы. IoT-шлюз поддерживает такие протоколы маршрутизации, как Border Gateway Protocol (BGP), Open Shortest Path First (OSPF), Routing Information Protocol (RIP) и RIPng. Пункт назначения, соответствующий заданному пакету данных, определяется с помощью таблицы маршрутизации.

Чтобы решить проблему совместимости, IoT-шлюзы выступают в роли моста между IoT-устройствами и облачной платформой. IoT-шлюз соединяется с конечными устройствами по определенным протоколам южного направления, затем хранит и анализирует все необходимые данные с устройств и отправляет их на облачные серверы по протоколам северного направления для обработки и анализа. Этот процесс называется трансляцией протоколов. Кроме того, этот процесс является двунаправленным, что позволяет осуществлять communication в обе стороны.

В случае реализации безопасного соединения IoT-шлюз играет важную роль. Основной формой безопасности в ко1TP7коммуникациях является использование брандмауэра. В случае с IoT-шлюзами используется сетевой брандмауэр, который фильтрует и контролирует поток информации из одной сети в другую. Он обеспечивает надлежащую авторизацию сетевого трафика и гарантирует, что будут открыты только необходимые порты с помощью таких механизмов, как проброс портов. Безопасное включение устройства - еще одна функция безопасности, которую IoT-шлюзы обеспечивают при первой настройке устройства. Это позволяет обеспечить надлежащее шифрование.

Фильтрация и обработка данных осуществляется с помощью пограничных вычислений, где исходные данные агрегируются, коррелируются и синхронизируются для уменьшения объема данных и сетевых задержек. После выполнения этих функций пограничных вычислений предварительно обработанные данные передаются на облачную платформу. Это позволит значительно снизить затраты на использование высокопроизводительных конечных устройств и датчиков. Помимо вышеперечисленных функций пограничные вычисления способны использовать следующие техники для решения проблемы фильтрации и обработки данных:

• Данные денатурирования
• Анализ безопасности и обнаружения вторжений
• Управление ключами
• Движки правил/процессоры событий
• Кэширование и хранение

Особенности IoT-шлюзов

Характеристики IoT-шлюзов в значительной степени зависят от их конкретного применения и требований к производительности. Тем не менее, можно выделить несколько основных функций, которые используются только в базовых IoT-приложениях, и расширенные функции, которые требуются для более сложных IoT-шлюзов, таких как промышленные IoT-шлюзы. Наиболее важными функциями являются:

• Возможность подключения устройства, несмотря на его характеристики, размер и конфигурацию, а также протокол communication.
• IoT-шлюзы повышают безопасность IoT-приложений и усиливают защиту.
• Они способны предоставлять метрики и аналитику о IoT-приложении, включая использование данных, целостность сигнала, количество сбоев, использование полосы пропускания, состояние сети и подробную информацию о подключенных устройствах и клиентах.
• Возможность формирования трафика и обеспечение качества обслуживания (QoS), которые полезны в развертываниях, где требуется гарантированный уровень обслуживания при перегрузках или переменной нагрузке на сеть.
• Некоторые IoT-шлюзы способны выполнять функции VLAN, в которых осуществляется сегментация сети по устройствам или пользователям в зависимости от требований приложения.
• Отказоустойчивость и внеполосное управление являются одними из передовых функций в приложениях с высокомобильными конечными устройствами.
• Некоторые IoT-шлюзы предоставляют настраиваемую прошивку с возможностью OTA-обновлений, что очень полезно для массивных IoT-узлов.
• IoT-шлюзы способны выполнять пограничные вычисления в зависимости от их спецификаций и требований приложений.
• Они обеспечивают расширяемость при интеграции устройств различных протоколов и конфигураций, а также различных облачных платформ.

Каковы преимущества использования IoT-шлюза?

• Использование шлюза IoT позволит сократить время выхода на рынок за счет предварительной интеграции нескольких протокольных интерфейсов и сценариев использования.
• Архитектура Plug-and-play позволит легко интегрировать конечные устройства и значительно сократить время, необходимое для добавления новых интерфейсов протоколов южного и северного направления.
• Возможности пограничных вычислений позволят улучшить время отклика и сократить сетевые задержки. С другой стороны, это позволит снизить затраты на передачу и улучшить аналитику данных в облачной платформе.
• IoT-шлюзы укрепят безопасность сети и будут бесперебойно управлять сетевым трафиком, обеспечивая защиту и конфиденциальность данных.
• Они поддерживают как проводные, так и беспроводные протоколы communication, обеспечивая широкий спектр приложений.

Как выбрать правильный IoT-шлюз?

Учитывайте эти факторы при выборе подходящего кандидата для вашего приложения IoT или Industrial IoT.

• Правильно определите цель использования IoT-шлюза. Должен ли шлюз предоставлять вам аналитические данные или показатели производительности?
• Оцените объем данных и скорость их передачи, которые должен обрабатывать ваш шлюз. У вас тысячи или сотни датчиков? С какой скоростью датчики будут записывать и передавать данные?
• Определите, что вам нужно: фильтрация, агрегация, кэширование или хранение данных. Выберите шлюзы с необходимой функциональностью пограничных вычислений.
• Где будет установлен шлюз? Определите различные стандарты, которым должен соответствовать ваш шлюз.
• Проверьте правильность сертификации. Модели шлюзов должны быть сертифицированы FCC/CE/IC.
• Какие средства защиты необходимы?
• Какие протоколы communication используются конечными устройствами и облачной платформой? Поддерживаются ли они вашим шлюзом?
• Наконец, проверьте, нужны ли вашему приложению пользовательские функции в будущем, и ознакомьтесь с возможностями шлюза по настройке.