Wat is een IoT-gateway en hoe kies je er een?

Het IoT-ecosysteem bestaat meestal uit eindapparaten, IoT-gateways en een cloudplatform. Commcommunicatie tussen deze verschillende componenten wordt mogelijk gemaakt door middel van verschillende commcommunicatieprotocollen. Het belangrijkste onderwerp van dit artikel is de IoT-gateway die verantwoordelijk is voor de vertaling van deze verschillende commcommunicatieprotocollen. Dit is grotendeels hetzelfde concept dat wordt gebruikt in telecommunicatie en emuleert hetzelfde werkingsprincipe als je internetrouter.

De internetrouter zou echter de met je thuisnetwerk verbonden apparaten verbinden met het Local Area Network (LAN) van je Internet Service Provider (ISP), maar in het geval van een IoT-gateway zou de gateway meerdere sensoren van verschillende types en configuraties verbinden met een cloudplatform.  

Uitdagingen voor IoT-implementatie

Voordat we meer in detail ingaan op het werkingsprincipe van IoT, is het de moeite waard om te kijken naar enkele van de uitdagingen bij de implementatie van IoT-systemen die leiden tot het gebruik van een IoT-gateway.

1. Connectiviteitsprobleem

Connectiviteit tussen apparaten en het cloudplatform is een kritiek punt in het IoT-domein. De meeste eindapparaten zijn geoptimaliseerd voor energie-efficiëntie en kunnen daarom niet rechtstreeks verbinding maken met internet of een Wide Area Network (WAN). In plaats daarvan werken deze apparaten meestal op heterogene radionetwerken zoals ZigBeeBLE, Z-Wave, LORAWANenz. - om gegevens over te dragen. Om dit probleem aan te pakken kunnen IoT-apparaten twee vormen aannemen:

• Apparaten en sensoren op randniveau zullen een direct pad naar de cloud bieden.
• Apparaten en sensoren op randniveau zullen aggregaties en clusters vormen rond gateways en routers tussen de sensoren en het WAN.

De eerste vorm is duur en vereist apparaten met ingebouwde netwerkconnectiviteitsmodules zoals 2G/3G, Wi-Fi, Ethernet, enz. Enkele populaire protocollen die worden gebruikt om te communiceren tussen apparaten en het cloudplatform zijn Constrained Application Protocol (CoAP), Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), HTTP, Advanced Message Queuing Protocol (AMQP), enz. De apparaten moeten voldoende rekenkracht en I/O-ondersteuning hebben. Bovendien ondersteunen deze apparaten geen over-the-air (OTA) firmware-updates, dus de eindgebruiker is verantwoordelijk voor het upgraden van de apparaatfirmware.

Daarom zou een meer ideale en kosteneffectieve oplossing de tweede vorm zijn, waarbij apparaten met radionetwerken met laag vermogen worden samengevoegd tot een centrale IoT-gateway om verbinding te maken met het cloudplatform.

2. Interoperabiliteitsuitdaging

Door het gebruik van apparaten van verschillende leveranciers en verschillende configuraties is interoperabiliteit een van de grootste uitdagingen in het IoT op grote schaal. Er zijn twee soorten protocollen die gebruikt worden in IoT-toepassingen. Southbound protocollen zijn de protocollen die commcommunicatie naar het apparaat mogelijk maken en die gericht zijn op het besparen van energie van eindapparaten die op batterijen werken. Voorbeelden zijn ZigBee, Modbus, LoRaWAN. Northbound protocollen zijn verantwoordelijk voor het mogelijk maken van communicatie naar het cloud platform, die zeer veilig zijn en gebaseerd op publish/subscribe mechanismen. CoAP, HTTPS, MQTT en AMQP zijn enkele populaire noordelijke protocollen.

Een IoT-toepassing maakt gebruik van beide soorten protocollen. Daarom moet een oplossing worden gebruikt die een goede harmonie tussen deze protocollen mogelijk maakt.  

3. Beveiligingsuitdaging

Beveiliging is een belangrijk punt van zorg als het gaat om gegevens die van sensoren naar de cloud worden gestuurd. Deze gegevens moeten worden beveiligd om de privacy van gebruikers te beschermen en consumenten te beschermen tegen frauduleuze acties. Zuidwaartse protocollen bieden beveiligingsmechanismen zoals whitelisting, OTA-activering en encryptie. Apparaten die communiceren met een cloudplatform moeten zichzelf autoriseren bij de server en de gegevens versleutelen voordat ze naar het cloudplatform worden verzonden. Er moet een harmonisch mechanisme zijn om deze beveiligingsvereisten in een IoT-toepassing te controleren.

4. Uitdaging gegevens filteren en verwerken

In de direct met de cloud verbonden architectuur worden alle gegevens naar de cloud gestuurd, wat niet ideaal is omdat er onnodige gegevens kunnen zijn, die aan de andere kant bandbreedte verspillen. Ook kunnen de gegevens verloren gaan als de connectiviteit uitvalt. Daarom is het essentieel dat er een oplossing komt om dit probleem op te lossen.

Hoe werkt een IoT-gateway?

Na het identificeren van enkele van de uitdagingen die bestaan in IoT-toepassingen, is het nu tijd om te evalueren hoe een IoT-gateway deze uitdagingen zou aanpakken.

Zoals we hebben gezien in het geval van connectiviteitsproblemen zou het verbinden van een groot aantal apparaten in een IoT-gateway idealiter de kosten en complexiteit van IoT-toepassingen verlagen. Dit kan worden gerealiseerd door de routeringsfunctie in te schakelen in IoT-gateways. Een IoT-gateway ondersteunt routeringsprotocollen zoals Border Gateway Protocol (BGP), Open Shortest Path First (OSPF), Routing Information Protocol (RIP) en RIPng. De bestemming die overeenkomt met een gegeven gegevenspakket wordt gerealiseerd met behulp van een routeringstabel.

Om het interoperabiliteitsprobleem aan te pakken, fungeren IoT-gateways als brug tussen de IoT-apparaten en het cloudplatform. Een IoT-gateway maakt verbinding met de eindapparaten via specifieke zuidelijke protocollen en slaat vervolgens alle benodigde gegevens van de apparaten op en parseert deze en stuurt de gegevens via noordelijke protocollen naar de cloudservers voor verwerking en analyse. Dit proces wordt protocolvertaling genoemd. Dit proces is ook bidirectioneel waardoor communicatie aan beide kanten mogelijk is.

Bij het realiseren van een beveiligde verbinding speelt een IoT-gateway een grote rol. De basisvorm van beveiliging in commcommunicatie is het gebruik van een firewall. In het geval van IoT-gateways gebruiken ze een netwerkfirewall die de informatiestroom van het ene netwerk naar het andere filtert en controleert. Dit zorgt voor de juiste autorisatie over welk netwerkverkeer het netwerk binnenkomt en zorgt ervoor dat alleen vereiste poorten worden geopend door mechanismen zoals port forwarding. Secure device onboarding is een andere beveiligingsfunctie die IoT-gateways inschakelen om een apparaat voor de eerste keer te configureren. Dit maakt goede encryptie mogelijk.

Het filteren en verwerken van gegevens wordt gerealiseerd door edge computing waarbij ruwe gegevens worden samengevoegd, gecorreleerd en gesynchroniseerd om het gegevensvolume en de netwerklatentie te beperken. Na het uitvoeren van deze edge computing-functies worden de voorbewerkte gegevens overgebracht naar het cloudplatform. Dit zal de kosten voor het gebruik van zeer capabele eindapparaten en sensoren aanzienlijk verlagen. Naast bovengenoemde functies kan edge computing de volgende technieken gebruiken om het probleem van het filteren en verwerken van gegevens te verminderen:

• Denatureringsgegevens
• Analyse van beveiliging en inbraakdetectie
• Sleutelbeheer
• Regels/gebeurtenisverwerkers
• Caching en opslag

Kenmerken van IoT-gateways

Kenmerken van IoT-gateways zijn sterk afhankelijk van hun specifieke toepassing en prestatievereisten. We kunnen echter een aantal basiskenmerken identificeren die alleen gebruikt worden voor basis IoT-toepassingen en geavanceerde kenmerken die vereist zijn voor complexere IoT-gateways zoals industriële IoT-gateways. De belangrijkste functies zijn:

• Apparaatconnectiviteit ondanks de kenmerken, grootte en configuratie van het apparaat en commcommunicatieprotocol.
• IoT-gateways bieden beveiligingsverbeteringen voor de IoT-toepassing en versterken de beveiliging.
• Ze kunnen statistieken en analyses leveren over de IoT-toepassing, waaronder: gegevensgebruik, signaalintegriteit, aantal storingen, bandbreedtegebruik, netwerkgezondheid en details over aangesloten apparaten en clients.
• Traffic shaping en Quality of Service (QoS) inschakelen, die nuttig zijn in implementaties die een gegarandeerd serviceniveau nodig hebben wanneer ze te maken hebben met congestie of variabele netwerkbelasting.
• Sommige IoT-gateways zijn geschikt voor VLAN-functies waarbij netwerksegmentatie van apparaten of gebruikers wordt uitgevoerd afhankelijk van de toepassingsvereisten.
• Failover en out-of-band beheer zijn enkele van de geavanceerde functies in toepassingen met zeer mobiele eindapparaten.
• Sommige IoT-gateways bieden aanpasbare firmware die OTA-updates mogelijk maakt, wat erg handig is bij massale IoT-knooppunten.
• IoT-gateways kunnen edge computing uitvoeren, afhankelijk van hun specificaties en toepassingsvereisten.
• Ze bieden uitbreidbaarheid bij het integreren van apparaten met verschillende protocollen en configuraties en ook verschillende cloudplatforms.

Wat zijn de voordelen van het gebruik van een IoT-gateway?

• Het gebruik van een IoT-gateway verkort de time-to-market door meerdere protocolinterfaces en gebruiksscenario's vooraf te integreren.
• Een plug-and-play architectuur zou eenvoudige integratie van eindapparaten mogelijk maken en de tijd die nodig is om nieuwe zuid- en noordwaartse protocolinterfaces toe te voegen aanzienlijk verkorten.
• Edge computing zal de responstijd verbeteren en netwerklatenties verminderen. Dit verlaagt de transmissiekosten en verbetert de gegevensanalyse in het cloudplatform.
• IoT-gateways zullen de netwerkbeveiliging versterken en het netwerkverkeer vlot beheren, waardoor gegevensbescherming en privacy worden gewaarborgd.
• Ze kunnen zowel bekabelde als draadloze communicatieprotocollen ondersteunen, waardoor een breed scala aan toepassingen mogelijk is.

Hoe kies je de juiste IoT-gateway?

Neem deze factoren in overweging bij het selecteren van de juiste kandidaat voor uw IoT- of industriële IoT-toepassing.

• Bepaal goed wat het doel is van het gebruik van een IoT-gateway. Moet je gateway je data analytics of performance metrics bieden?
• Beoordeel het gegevensvolume en de gegevensoverdrachtsnelheden die uw gateway moet verwerken. Hebt u duizenden of honderden sensoren? Hoe snel moeten de sensoren de gegevens opnemen en overdragen?
• Bepaal of je data moet filteren, aggregeren, cachen of opslaan. Kies de gateways met de vereiste functionaliteit voor edge computing.
• Waar wordt de gateway geïnstalleerd? Identificeer verschillende standaarden waaraan je gateway moet voldoen.
• Controleer op de juiste certificeringen. Gateway-modellen moeten gecertificeerd zijn als FCC/CE/IC elektronische producten.
• Welke beveiligingsfuncties zijn vereist?
• Wat zijn de vereiste communicatieprotocollen die worden gebruikt door je eindapparaten en cloudplatform? Worden deze ondersteund door uw gateway?
• Controleer tot slot of je applicatie in de toekomst aangepaste functies nodig heeft en controleer de aanpassingsopties van de gateway.