Qu'est-ce qu'une passerelle IoT et comment la choisir ?

L'écosystème IoT se compose généralement d'appareils finaux, de passerelles IoT et d'une plateforme en nuage. La communication entre ces différents composants est assurée par différents protocoles de communication. Le présent article s'intéresse principalement à la passerelle IoT qui est responsable de la traduction de ces différents protocoles de communication. Il s'agit d'un concept très similaire à celui utilisé dans les télécommunications, émulant le même principe de fonctionnement que votre routeur internet.

Toutefois, le routeur internet relie les appareils connectés à votre réseau domestique au réseau local (LAN) de votre fournisseur d'accès internet (FAI), alors que dans le cas d'une passerelle IoT, la passerelle relie de multiples capteurs de différents types et configurations à une plateforme en nuage.  

Défis liés au déploiement de l'IdO

Avant d'entrer dans les détails du principe de fonctionnement de l'IdO, il convient d'examiner certains des défis de déploiement imposés aux systèmes IdO qui conduisent à l'utilisation d'une passerelle IdO.

1. Problème de connectivité

La connectivité entre les appareils et la plateforme cloud est un problème critique dans le domaine de l'IdO. En effet, la plupart des appareils finaux sont optimisés pour l'efficacité énergétique et ne sont donc pas capables de se connecter directement à l'internet ou à un réseau étendu (WAN). Au lieu de cela, ces appareils sont généralement exploités sur des réseaux radio hétérogènes tels que ZigBeeBLE, Z-Wave, LORAWANetc. - pour transférer des données. Pour résoudre ce problème, les dispositifs IoT peuvent prendre deux formes :

• Les appareils et les capteurs en périphérie fourniront un accès direct au nuage.
• Les appareils et les capteurs en périphérie formeront des agrégations et des grappes autour des passerelles et des routeurs entre les capteurs et le réseau étendu.

La première forme est coûteuse et nécessite des appareils dotés de modules de connectivité réseau intégrés tels que 2G/3G, Wi-Fi, Ethernet, etc. Certains des protocoles les plus courants utilisés pour assurer la communication entre les appareils et la plateforme en nuage sont le protocole d'application contraint (CoAP), le transport de télémétrie par file d'attente (MQTT), HTTP, le protocole avancé de file d'attente de messages (AMQP), etc. Les appareils doivent disposer d'une puissance de calcul et d'un support d'E/S suffisants. En outre, ces appareils ne prennent pas en charge les mises à jour du micrologiciel par voie aérienne (OTA), de sorte que l'utilisateur final est responsable de la mise à jour du micrologiciel de l'appareil.

Par conséquent, une solution plus idéale et plus rentable serait la deuxième forme, dans laquelle les dispositifs dotés de réseaux radio à faible consommation sont agrégés à une passerelle IoT centrale pour se connecter à la plateforme en nuage.

2. Le défi de l'interopérabilité

En raison de l'utilisation d'appareils provenant de différents fournisseurs et de différentes configurations, l'interopérabilité est l'un des plus grands défis de l'IdO à grande échelle. Deux types de protocoles sont utilisés dans les applications IdO. Les protocoles vers le sud sont les protocoles permettant la communication vers l'appareil, qui visent à économiser l'énergie des appareils finaux alimentés par batterie. Exemples : ZigBee, Modbus, LoRaWAN. Les protocoles Northbound sont chargés de permettre la communication vers la plateforme en nuage, qui sont hautement sécurisés et reposent sur un mécanisme de publication/abonnement. CoAP, HTTPS, MQTT et AMQP sont quelques-uns des protocoles northbound les plus répandus.

Une application IoT utilise ces deux types de protocoles. Par conséquent, il convient d'utiliser une solution permettant une bonne harmonie entre ces protocoles.  

3. Défi de sécurité

La sécurité est une préoccupation majeure lorsqu'il s'agit de données envoyées par des capteurs vers le nuage. Ces données doivent être sécurisées afin de protéger la vie privée des utilisateurs et de défendre les consommateurs contre les actions frauduleuses. Les protocoles Southbound fournissent des mécanismes de sécurité tels que la liste blanche, l'activation OTA et le cryptage. Les dispositifs communication à une plateforme en nuage doivent s'autoriser auprès du serveur et crypter les données avant de les transmettre à la plateforme en nuage. Il devrait y avoir un mécanisme harmonisé pour vérifier ces exigences de sécurité dans une application IoT.

4. Défi du filtrage et du traitement des données

Dans l'architecture connectée directement au nuage, toutes les données sont envoyées au nuage, ce qui n'est pas idéal car il peut y avoir des données inutiles qui, par ailleurs, gaspilleraient la bande passante. En outre, les données peuvent être perdues en cas de panne de connectivité. Il est donc essentiel de trouver une solution pour atténuer ce problème.

Comment fonctionne une passerelle IoT ?

Après avoir identifié certains des défis posés par les applications IdO, il est temps d'évaluer comment une passerelle IdO pourrait les relever.

Comme nous l'avons vu dans le cas du problème de connectivité, la connexion d'un grand nombre d'appareils à une passerelle IoT permettrait idéalement de réduire le coût et la complexité des applications IoT. Cela peut être réalisé grâce à la fonction de routage activée dans les passerelles IoT. Une passerelle IoT prendrait en charge des protocoles de routage tels que le Border Gateway Protocol (BGP), l'Open Shortest Path First (OSPF), le Routing Information Protocol (RIP) et le RIPng. La destination correspondant à un paquet de données donné est déterminée à l'aide d'une table de routage.

Afin de relever le défi de l'interopérabilité, les passerelles IoT servent de pont entre les appareils IoT et la plateforme en nuage. Une passerelle IoT se connecte aux appareils finaux via des protocoles spécifiques vers le sud, puis stocke et analyse toutes les données nécessaires provenant des appareils et les envoie aux serveurs en nuage via des protocoles vers le nord à des fins de traitement et d'analyse. Ce processus est appelé "traduction de protocole". En outre, ce processus est bidirectionnel, ce qui permet une communication communication de part et d'autre.

Pour réaliser une connexion sécurisée, une passerelle IoT joue un rôle majeur. La forme de base de la sécurité dans les communications est l'utilisation d'un pare-feu. Dans le cas des passerelles IoT, elles utilisent un pare-feu réseau qui filtre et contrôle le flux d'informations d'un réseau à l'autre. Cela permet d'autoriser le trafic réseau à entrer dans le réseau et de s'assurer que seuls les ports nécessaires sont ouverts grâce à des mécanismes tels que la redirection de ports. L'intégration sécurisée des appareils est une autre fonction de sécurité activée par les passerelles IoT lors de la première configuration d'un appareil. Cela permet un cryptage adéquat.

Le filtrage et le traitement des données sont réalisés par l'informatique périphérique où les données brutes sont agrégées, corrélées et synchronisées afin de réduire le volume de données et la latence du réseau. Après avoir exécuté ces fonctions d'informatique périphérique, les données prétraitées sont transférées vers la plateforme en nuage. Cela permettra de réduire considérablement le coût d'utilisation des dispositifs finaux et des capteurs à haute capacité. Outre les fonctions susmentionnées, l'informatique en périphérie est capable d'utiliser les techniques suivantes pour atténuer les problèmes de filtrage et de traitement des données :

• Données de dénaturation
• Analyse de la sécurité et de la détection des intrusions
• Gestion des clés
• Moteurs de règles/processeurs d'événements
• Mise en cache et stockage

Caractéristiques des passerelles IoT

Les caractéristiques des passerelles IoT dépendent fortement de leur application spécifique et des exigences de performance. Cependant, nous pouvons identifier certaines des caractéristiques de base communly employées par les applications IoT de base et les caractéristiques avancées qui sont requises par les passerelles IoT plus complexes telles que les passerelles IoT industrielles. Les caractéristiques les plus importantes sont les suivantes :

• Connectivité de l'appareil malgré les caractéristiques, la taille et la configuration de l'appareil et le protocole de communication co1TP14.
• Les passerelles IoT améliorent la sécurité de l'application IoT et renforcent la sécurité.
• Ils sont capables de fournir des mesures et des analyses sur l'application IoT, notamment : l'utilisation des données, l'intégrité du signal, le nombre d'événements de défaillance, l'utilisation de la bande passante, la santé du réseau et des détails sur les appareils et les clients connectés.
• La mise en forme du trafic et la qualité de service (QoS) sont utiles dans les déploiements qui nécessitent un niveau de service garanti en cas de congestion ou de charge variable du réseau.
• Certaines passerelles IoT sont capables de fonctions VLAN où la segmentation du réseau des appareils ou des utilisateurs est effectuée en fonction des exigences de l'application.
• Le basculement et la gestion hors bande sont quelques-unes des fonctions avancées dans les applications impliquant des dispositifs finaux très mobiles.
• Certaines passerelles IoT fournissent un micrologiciel personnalisable permettant des mises à jour OTA, ce qui est très utile pour les nœuds IoT massifs.
• Les passerelles IoT sont capables d'effectuer de l'informatique de pointe en fonction de leurs spécifications et des exigences de l'application.
• Ils permettent d'intégrer des appareils de différents protocoles et configurations, ainsi que différentes plateformes en nuage.

Quels sont les avantages de l'utilisation d'une passerelle IoT ?

• L'utilisation d'une passerelle IoT permet de réduire les délais de mise sur le marché grâce à la pré-intégration de plusieurs interfaces de protocole et de scénarios d'utilisation.
• L'architecture "plug-and-play" faciliterait l'intégration des dispositifs finaux et réduirait considérablement le temps nécessaire à l'ajout de nouvelles interfaces de protocole vers le sud et vers le nord.
• La capacité d'informatique périphérique améliorera le temps de réponse et réduira les latences du réseau. D'autre part, cela réduira les coûts de transmission et améliorera l'analyse des données dans la plateforme en nuage.
• Les passerelles IoT renforceront la sécurité du réseau et géreront le trafic réseau en douceur, garantissant ainsi la protection des données et la confidentialité.
• Ils peuvent prendre en charge les protocoles de communication câblés et sans fil, ce qui permet une large gamme d'applications.

Comment choisir la bonne passerelle IoT ?

Tenez compte de ces facteurs lorsque vous sélectionnez le bon candidat pour votre application IoT ou Industrial IoT.

• Définissez correctement l'objectif de l'utilisation d'une passerelle IoT. Votre passerelle doit-elle vous fournir des analyses de données ou des mesures de performance ?
• Évaluez le volume de données et les taux de transfert de données que votre passerelle doit gérer. Avez-vous des milliers ou des centaines de capteurs ? À quelle vitesse les capteurs enregistreront-ils et transféreront-ils les données ?
• Déterminez si vous avez besoin de filtrer, d'agréger, de mettre en cache ou de stocker des données. Choisissez les passerelles dotées de la fonctionnalité Edge Computing requise.
• Où la passerelle sera-t-elle installée ? Identifiez les différentes normes auxquelles votre passerelle doit répondre.
• Vérifiez que les certifications sont correctes. Les modèles de passerelle doivent être des produits électroniques certifiés FCC/CE/IC.
• Quelles sont les caractéristiques de sécurité requises ?
• Quels sont les protocoles de communication comm utilisés par vos appareils finaux et votre plateforme en nuage ? Sont-ils pris en charge par votre passerelle ?
• Enfin, vérifiez si votre application nécessite des fonctions personnalisées à l'avenir et vérifiez les options de personnalisation de la passerelle.