¿Qué es una pasarela IoT y cómo elegir una?

El ecosistema IoT suele estar formado por dispositivos finales, pasarelas IoT y una plataforma en la nube. La communicación entre estos diferentes componentes se realiza mediante diferentes protocolos de communicación. El principal interés de este artículo se centra en la pasarela IoT, que es responsable de la traducción de estos distintos protocolos de communicación. Se trata de un concepto muy similar al empleado en telecommunications, que emula el principio de funcionamiento del router de Internet.

Sin embargo, el router de Internet conectaría sus dispositivos conectados a la red doméstica con la red de área local (LAN) de su proveedor de servicios de Internet (ISP), pero en el caso de una pasarela IoT, la pasarela conectaría múltiples sensores de diferentes tipos y configuraciones a una plataforma en la nube.  

Retos de la implantación de IoT

Ahora bien, antes de entrar en más detalles sobre el principio de funcionamiento de IoT, merece la pena examinar algunos de los retos de despliegue que se imponen a los sistemas IoT y que conducen al uso de una pasarela IoT.

1. Problema de conectividad

La conectividad entre los dispositivos y la plataforma en la nube es una cuestión crítica en el ámbito del IoT. Dado que la mayoría de los dispositivos finales están optimizados para la eficiencia energética, no pueden conectarse directamente a Internet o a una red de área extensa (WAN). En su lugar, estos dispositivos suelen funcionar en redes de radio heterogéneas como ZigBeeBLE, Z-Wave, LORAWANetc. - para transferir datos. Para resolver este problema, los dispositivos IoT pueden adoptar dos formas:

• Los dispositivos y sensores periféricos proporcionarán una vía directa a la nube.
• Los dispositivos y sensores de borde formarán agregaciones y agrupaciones en torno a pasarelas y routers entre los sensores y la WAN.

La primera forma es costosa y requeriría dispositivos con módulos de conectividad de red incorporados, como 2G/3G, Wi-Fi, Ethernet, etc. Algunos de los protocolos más utilizados para la communicación entre dispositivos y la plataforma en la nube son Constrained Application Protocol (CoAP), Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), HTTP, Advanced Message Queuing Protocol (AMQP), etc. En este caso, los dispositivos deben tener suficiente potencia de cálculo y soporte de E/S. Además, estos dispositivos no admiten actualizaciones de firmware por aire (OTA), por lo que el usuario final es responsable de actualizar el firmware del dispositivo.

Por tanto, una solución más ideal y rentable sería la segunda forma, en la que los dispositivos con redes de radio de baja potencia se agregan a una pasarela IoT central para conectarse a la plataforma en la nube.

2. El reto de la interoperabilidad

Debido al uso de dispositivos de distintos proveedores y configuraciones diferentes, la interoperabilidad es uno de los mayores retos del IoT a gran escala. Hay dos tipos de protocolos utilizados en las aplicaciones IoT. Los protocolos Southbound son los que permiten la communicación hacia el dispositivo y tienen como objetivo conservar la energía de los dispositivos finales alimentados por batería. Algunos ejemplos son ZigBee, Modbus, LoRaWAN. Los protocolos Northbound se encargan de permitir la communicación hacia la plataforma en nube, que son altamente seguros y se basan en el mecanismo publicar/suscribir. CoAP, HTTPS, MQTT y AMQP son algunos de los protocolos northbound más populares.

Una aplicación IoT utilizaría estos dos tipos de protocolos. Por lo tanto, debe emplearse una solución que permita una armonía adecuada entre estos protocolos.  

3. Desafío de seguridad

La seguridad es una de las principales preocupaciones cuando se trata de los datos que se envían desde los sensores a la nube. Estos datos deben ser seguros para proteger la privacidad del usuario y defender a los consumidores de acciones fraudulentas. Los protocolos meridionales ofrecen mecanismos de seguridad como listas blancas, activación OTA y cifrado. Por su parte, los dispositivos communicados a una plataforma en nube deben autorizarse ante el servidor y cifrar los datos antes de transmitirlos a la plataforma en nube. Debería existir un mecanismo armónico para comprobar estos requisitos de seguridad en una aplicación IoT.

4. Reto de filtrado y tratamiento de datos

En la arquitectura de conexión directa a la nube, todos los datos se envían a la nube, lo que no es ideal, ya que puede haber algunos datos innecesarios, que por otra parte desperdiciarían ancho de banda. Además, los datos pueden perderse si se produce un corte en la conectividad. Por tanto, es esencial encontrar una solución para mitigar este problema.

¿Cómo funciona una pasarela IoT?

Después de identificar algunos de los retos existentes en las aplicaciones IoT, ahora es el momento de evaluar cómo una pasarela IoT abordaría esos retos.

Como hemos visto en el caso del problema de conectividad, conectar un gran número de dispositivos a una pasarela IoT reduciría idealmente el coste y la complejidad de las aplicaciones IoT. Esto puede conseguirse habilitando la función de enrutamiento en las pasarelas IoT. Una pasarela IoT soportaría protocolos de enrutamiento como Border Gateway Protocol (BGP), Open Shortest Path First (OSPF), Routing Information Protocol (RIP) y RIPng. El destino correspondiente a un determinado paquete de datos se determina utilizando una tabla de enrutamiento.

Para hacer frente al reto de la interoperabilidad, las pasarelas IoT actúan como puente entre los dispositivos IoT y la plataforma en la nube. Una pasarela IoT se conectaría con los dispositivos finales a través de protocolos específicos hacia el sur y, a continuación, almacenaría y analizaría todos los datos necesarios de los dispositivos y los enviaría a los servidores de la nube a través de protocolos hacia el norte para su procesamiento y análisis. Este proceso se denomina traducción de protocolos. Además, este proceso es bidireccional, lo que permite la communicación en ambos lados.

En el caso de realizar una conexión segura, una pasarela IoT desempeña un papel fundamental. La forma básica de seguridad en las communicaciones es utilizar un cortafuegos. En el caso de las pasarelas IoT, utilizarían un cortafuegos de red que filtra y controla el flujo de información de una red a otra. Así se autoriza debidamente el tráfico de red que entra en la red y se garantiza que sólo se abren los puertos necesarios mediante mecanismos como el reenvío de puertos. La integración segura de dispositivos es otra función de seguridad que permiten las pasarelas IoT al configurar un dispositivo por primera vez. Esto permite un cifrado adecuado.

El filtrado y procesamiento de datos se realiza mediante computación de borde, donde los datos brutos se agregan, correlacionan y sincronizan para reducir el volumen de datos y la latencia de la red. Una vez realizadas estas funciones de computación de borde, los datos preprocesados se transfieren a la plataforma en nube. Esto reducirá en gran medida el coste de utilizar dispositivos finales y sensores de alta capacidad. Además de las funciones mencionadas, la computación de borde es capaz de utilizar las siguientes técnicas para mitigar los problemas de filtrado y procesamiento de datos:

• Datos de desnaturalización
• Análisis de seguridad y detección de intrusos
• Gestión de claves
• Motores de reglas/procesadores de eventos
• Almacenamiento en caché

Características de las pasarelas IoT

Las características de las pasarelas IoT dependen en gran medida de su aplicación específica y de los requisitos de rendimiento. Sin embargo, podemos identificar algunas de las características básicas que solo emplean las aplicaciones básicas de IoT y las características avanzadas que requieren las pasarelas de IoT más complejas, como las pasarelas de IoT industrial. Las características más importantes son:

• Conectividad del dispositivo a pesar de las características del dispositivo, el tamaño y la configuración y co1TP14Protocolo de comunicación.
• Las pasarelas IoT proporcionan mejoras de seguridad a la aplicación IoT y refuerzan la seguridad.
• Son capaces de proporcionar métricas y análisis sobre la aplicación IoT, incluyendo: uso de datos, integridad de la señal, número de eventos de fallo, uso de ancho de banda, estado de la red y detalles sobre los dispositivos y clientes conectados.
• Permitir la conformación del tráfico y la calidad del servicio (QoS), útiles en despliegues que necesitan un nivel garantizado de servicio cuando se trata de congestión o carga variable de la red.
• Algunas pasarelas IoT son capaces de realizar funciones VLAN en las que se lleva a cabo la segmentación de la red de dispositivos o usuarios en función de los requisitos de la aplicación.
• La conmutación por error y la gestión fuera de banda son algunas de las funciones avanzadas en aplicaciones que implican dispositivos finales muy móviles.
• Algunas pasarelas IoT proporcionan firmware personalizable que permite actualizaciones OTA, lo que resulta muy útil en nodos IoT masivos.
• Las pasarelas IoT son capaces de realizar edge computing en función de sus especificaciones y requisitos de aplicación.
• Proporcionan extensibilidad a la hora de integrar dispositivos de diferentes protocolos y configuraciones y también diferentes plataformas en la nube.

¿Cuáles son las ventajas de utilizar una pasarela IoT?

• El uso de una pasarela IoT reducirá el tiempo de comercialización al preintegrar múltiples interfaces de protocolo y escenarios de uso.
• La arquitectura Plug and Play facilitaría la integración de los dispositivos finales y reduciría significativamente el tiempo necesario para añadir nuevas interfaces de protocolo hacia el sur y hacia el norte.
• La capacidad de Edge Computing mejorará el tiempo de respuesta y reducirá las latencias de la red. Por otro lado, reducirá los costes de transmisión y mejorará el análisis de datos en la plataforma en nube.
• Las pasarelas IoT reforzarán la seguridad de la red y gestionarán el tráfico de red sin problemas, garantizando así la protección y privacidad de los datos.
• Admiten protocolos de communicación por cable e inalámbricos, lo que permite una amplia gama de aplicaciones.

¿Cómo elegir la pasarela IoT adecuada?

Tenga en cuenta estos factores a la hora de seleccionar al candidato adecuado para su aplicación IoT o IoT industrial.

• Defina correctamente el objetivo de utilizar una pasarela IoT. Debe su pasarela proporcionarle análisis de datos o métricas de rendimiento?
• Evalúe el volumen de datos y las velocidades de transferencia de datos que debe gestionar su pasarela. ¿Tiene miles o cientos de sensores? ¿A qué velocidad deben registrar y transferir los datos los sensores?
• Identifique si necesita filtrado, agregación, almacenamiento en caché o almacenamiento de datos. Elija las pasarelas con la funcionalidad de computación de borde necesaria.
• ¿Dónde se instalará la pasarela? Identifique las distintas normas que debe cumplir su pasarela.
• Compruebe que las certificaciones son correctas. Los modelos de pasarela deben ser productos electrónicos certificados FCC/CE/IC.
• ¿Qué elementos de seguridad son necesarios?
• ¿Cuáles son los protocolos de communicación necesarios que utilizan sus dispositivos finales y su plataforma en la nube? ¿Su pasarela los admite?
• Por último, compruebe si su aplicación requiere funciones personalizadas en el futuro y compruebe las opciones de personalización de la pasarela.