Internet De Les Coses : Arquitectures, Protocols I Aplicacions
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
L’Internet de les Coses: arquitectures, protocols i aplicacions Estudiant: Mario Pareja Nieto MUET UOC-URL Setembre 2014 – Gener 2015 Consultor: Pere Tuset Peiró 11 de Gener de 2015 Pàgina 2 Resum Les demandes d’informació de la societat actual són cada cop més elevades, creixen inexorablement dia a dia. La principal premisa que ens trobem és que, a través del tractament i anàlisi d’aquesta informació es podrà obtenir un major coneixement del medi que ens envolta. Al seu torn, la intenció final és que aquest major grau coneixement repercutirà, d’una manera o altra, en majors beneficis per als individus i per la societat en general; en definitiva, una major qualitat de vida. Més informació comporta més comunicació mitjançant mitjans telemàtics, per tal de que els usuaris puguin comunicar-se entre ells o bé amb les màquines, segons l’esquema tradicional de comunicació home-home o home-màquina. Per la seva banda i, sense cap mena de dubte, avui dia la principal xarxa global de comunicacions és Internet, tant en l’àmbit personal com a professional. Per tant, tenim que la majòria de les comunicacions usuari-usuari o usuari- màquina que es realitzen avui dia ho fan a través d’aquesta xarxa global. L’Internet de les Coses (IoT o Internet of Things, en anglès) és un concepte encara prou recent, que representa un pas més enllà en les comunicacions a la Xarxa, segons el qual aquestes darreres passen a ser directament màquina a màquina (M2M o Machine-To-Machine, en anglès) i sense cap tipus d’interacció per part de cap usuari. En la pràctica, això significa, en realitat, millions de dispositius de tota mena –equipats amb tot tipus de sensors, moltes vegades minúsculs de baix consum, de la mida d’una “mota” de pols- i que formen xarxes de sensors sense fils (WSN o Wireless Sensor Networks, en anglès) que es connecten a Internet, fent servir tecnologies com Bluetooth LE, ZigBee, Wi-Fi, etc.i posteriorment amb altres dispositius (per exemple, actuadors, servidors web o de bases de dades) per tal d’intercanviar informació. Això ha estat possible gràcies a la progressiva disminució dels costos de les comunicacions, així com dels costos de fabricació de l’electrònica necessària per “sensoritzar” (els nodes normalment s’implementen fent servir circuits integrats del tipus ‘Sistema en un Xip’ (SoC o System on a Chip, en anglès) i, en paral·lel, gràcies al progressiu augment de potència d’aquests darrers. Alguns dels reptes més importants amb els qualss’enfronta aquesta nova forma de comunicació són: Estandarització de les comunicacions a les xarxes sense fils personals (WPAN o Wireless Area Personal Networks, en anglès). Per tal d’evitar la confusió originada per l’aparació de diverses tecnologies similars, molts cops propietàries, es va crear 802.15.4, que és un estàndarde l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) que defineix el nivell físic (PHY) i el control d’accés al medi (MAC) a WPANs amb baixes taxes de transmissió (fins 250 Kbps) i baix consum. Altres alternatives possibles passen, per exemple, per l’ús de l’estàndard Bluetooth Low Energy (BLE). Pàgina 3 Manca d’adreces IPv4 per als milers de millions de dispositius que es poden arribar a connectar a la Xarxa, fet que fa imprescindible que l’Internet de les Coses estigui basada en IPv6, ja que d’aquesta manera es pot suportar un total de 2128 adreces públiques. D’aquesta manera, s’ha de parlar de protocols com ara 6LowPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks), una implementació de IPv6 –capa d’adaptació- específica per a xarxes de sensors sense fils de baix consum i amb pèrdues. Assegurar un grau de seguretat el suficientment alt a l’hora de connectar els dispositius a Internet, donat que moltes vegades les dades que viatjaran seran sensibles (per exemple paràmetres de salut d’un pacient, si una casa es troba buida o no, etc). Per a aquest fi, seran necessaris protocols de securetat i de control d’accés al medi com ara 802.11i (WPA2) i 802.1AE (MACsec), així com mètodes d’encriptació (AES) que han sigut desenvolupat per tal d’assegurar dades en entorns sense fils i en moviment. Assegurar fiabilitat en les comunicacions. Donat que el medi que es fa servir és l’aire i, per tant, estem parlant de xarxes amb pèrdules (lossy networks, en anglès) s’ha de trobar nous mecanismes que permetin disminuir la probabilitat d’error en l’enviament de paquets el màxim possible o, dit d’una altra manera, que permetin augmentar l’eficiència de dades enviades en entorns “hostils” on pot haver-hi interferències (jamming, en anglès) ocasionades per obstacles, vehicles, maquinària industrial, etc. Alguns clars exemplesde protocols orientats a aquest fi són CoAP (Constrained Application Protocol) i MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Assegurar el correct encaminament dels paquets en entorns com el descrit anteriorment. En aquest tipus de xarxes de tant curt abast, entre d’altres, l’encaminament (routing, en anglès) ha de ser dinàmic i proactiu i ha de permetremúltiples salts entre diferents nodes (multi-hop, en anglès) per tal de salvar majors distàncies i així poder arribar a la destinació – normalment una pasarel·la cap a Internet. Un clar exemple el tenim amb RPL (Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks), que és el protocol estàndard d’IPv6 per a aquest fi. El ventall d’aplicacions que podem trober en una Internet de les Coses és pràcticament il·limitat: des de els wearables (peces de robes amb de sensors que poden mesurar la temperatura corporal, humitat, calòries consumides, sensació de fred, etc.) fins al monitoratge de la salut de persones depenents, passant per la domòtica (o el que és el mateix, automatització de la casa, amb rentadores, frigorífics o sistemes de calefacció amb sensors que controlen la bugada, la quantitat de menjar que tenim o la temperatura de la casa), aplicacions vehiculars (sensors als cotxes que mesuren el tipus de conducció de l’usuari i que poden fer-se servir per dissenyar nous plans de pagament per part de les companyies d’assegurances), monitoratge i control del trànsit a la ciutat (una dels típics exemples per definir el concepte de Ciutat Intel·ligents o Smart Cities, en anglès), monitoratge de conreus i granjes, etc. Paraules clau: IEEE 802.15.4e, TSCH, 6LoWPAN, RPL, CoAP, CC2538, OpenMote, OpenWSN. Pàgina 4 Abstract Information needs in today’s society are increasing from day to day, relentlessly. The main premise here is that, through dataprocessing and analysis, knowledge is extracted. In turn, the final aim of extracting knowledge from our environment is to rebound, some way or another, in benefits for both individuals in particular and society in general. In other words: more info means more knowledge and more knowledge can lead, eventually, to a higher quality of life. More info implies more telematics, so that the end users can communicate remotely to each other (user-to-user schema) or to a machine (user-to-machine schema). These are the traditional ways individuals can communicate at present. On the other hand and, with no doubt, Internet is, on these days, the main global network everyone -both for personal and professional reasons- uses on a daily basis. Then, we have that almost all of the user-to-user or user-to-machine communications are already being carried out through the Internet. The Internet of Things (hereinafter IoT) is a new concept perhaps a little ambiguous or “ethereal” yet, which represents one step further to traditional Internet communications. On the IoT, communications are carried out directly between machines (M2M or Machine-to- Machine) with no interaction or control at all by any user. In practice, this means, in the real world, billions of devices of any kind -equipped with several types of sensors, most of the times tiny and low-powered ones, called “motes”- meshed together in what is generically called a Wireless Sensor Network (WSN), by means of wireless technologies (Bluetooth LE, ZigBee, Wi-Fi, ...) and connected to the Internet and then, on the other end, to other devices (for example actuators, web servers or database servers) in order to store or exchange information. This has been possible thanks to the progressive reduction on communications’ costs, as well as progressively decreasing costs on electronics’ manufacturing (wireless nodes are normally deployed by using ‘Systems on a Chip’ –SoC- based ICs). Some of the most important challenges this new paradigm of communication must face are the following: Wireless personal area networks’ (WPAN) standardization. In order to prevent the confusion originated by multiple emerging and similar technologies, most of the times propietary ones, the standard 802.15.4 was created by the IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineering), which defines physical and access media layers for WPANs with low data rates (up to 250 Kbps) and low power consumption. Possible alternatives to this standard are, for example, the new Bluetooth Low Energy (BLE) standard. IPv4 address exhaustion or, in other words, not enough addresses to handle billions of devices that could be connected to the Network in the next years. This big issue makes imperative the use of IPv6 for this new IoT paradigm, which can support up to 2128 public addresses. Additionally, it is necessary to introduce 6LoWPAN protocol, which is nothing but an IPv6 implementation specifically created for low-powered wireless sensor networks (WSN). Pàgina 5 To be able to fulfill a high security level when connecting devices to the Internet, enough to ensure confidentiality of sensible data (pacients’ health information, whether somebody’s at home or not, etc.). To this extent, security and media access control protocols will be needed like 802.11i (WPA2) and 802.1AE (MACsec) will be needed, as well as encryption methods (AES) which have been developed to protect data on wireless and “in motion” environments.