Uma arquitetura em camadas da Internet das Coisas (IoT) fornece modularidade, escalabilidade e flexibilidade, permitindo que cada camada se concentre em tarefas e tecnologias especÃficas. Esta série de perguntas frequentes cobre a arquitetura da IoT de cinco camadas e explica por que é uma estrutura comumente usada. Esta primeira parte se concentra nas duas primeiras camadas.
A arquitetura da IoT fornece uma estrutura estruturada para organizar componentes interconectados, como dispositivos, sensores, redes, serviços em nuvem e aplicativos em um ecossistema de IoT. Ele transforma a conectividade básica em aplicativos complexos orientados a dados capazes de monitoramentoanálise e controle.
Como a arquitetura da IoT evoluiu para atender às necessidades modernas?
À medida que as implantações da IoT se tornaram mais complexas, as empresas precisavam de melhores ferramentas para processamento de dados complicado. Eles também precisavam garantir que as redes trabalhassem de maneira confiável em várias configurações e conectem os sistemas de IoT às suas operações regulares.
A arquitetura da IoT progrediu a partir de modelos simples de três camadas, ou seja, percepção, rede e camada de aplicativos, para a estrutura de cinco camadas agora padrão. Essa evolução reflete a transição da IoT da novidade tecnológica para a infraestrutura de negócios. Figura 1 mostra as diferentes camadas dessa arquitetura e ilustra onde cada camada encontra seu objetivo.
O modelo expandido de cinco camadas fornece uma estrutura abrangente para atender a esses requisitos em evolução, como segue:
- A camada de percepção captura dados fÃsicos através de sensores e atuadores.
- A camada de rede facilita a transmissão de dados em vários tipos de rede.
- A camada de middleware gerencia armazenamento, processamento e análise dos fluxos de dados.
- A camada de aplicativos entrega serviços especÃficos de domÃnio e interfaces de usuário.
- A camada de negócios gera inteligência acionável e se integra aos sistemas corporativos.
Qual é a camada de percepção e quais são suas principais funções?
A camada de percepção da IoT é a interface crÃtica entre o mundo fÃsico e os sistemas digitais de IoT. Como mostrado na Figura 2, coleta dados ambientais através de diversos sensores, como temperatura, umidade, movimento, luz, GPScâmeras, e Leitores RFID. Esses sensores monitoram os parâmetros fÃsicos e os convertem em dados digitais. Além disso, permite o controle fÃsico por meio de atuadores, como plugues inteligentes, relés, motores, bloqueios e válvulas.
Esta camada incorpora sistemas incorporados como Microcontroladores Arduino, Esp32 e Raspberry Pi (Figura 3) que gerenciam sensores e atuadores. Geralmente, ele executa sistemas operacionais especializados como Linux, Freertos ou Zephyr. A camada de percepção serve como o aparelho sensorial do sistema, capturando condições do mundo real e fornecendo a base para todas as funções subsequentes de processamento de IoT e controle.
Quais são as principais restrições da camada de percepção e como elas influenciam a arquitetura geral da IoT?
A camada de percepção opera sob três restrições fundamentais: poder de processamento limitado, capacidade de memória restrita e limitações de energia (a maioria dos dispositivos sendo movidos a bateria). Essas restrições moldam toda a arquitetura da IoT.
Essas limitações exigem baixa potência especializada Protocolos de comunicação (Bluetooth LE, ZigBee, Lorawan) projetado para minimizar o consumo de energia, mantendo a conectividade na camada de rede. Na camada de middleware, eles dirigem a implementação de Computação de borda aborda que processam os dados mais próximos de sua fonte, reduzindo o volume de transmissão e conservando energia.
Além disso, a heterogeneidade dos tipos de sensores e formatos de dados requer estratégias avançadas de gerenciamento de dados em camadas mais altas, incluindo técnicas de normalização e mecanismos de filtragem que transformam dados brutos em informações utilizáveis. Essas limitações inerentes ao dispositivo influenciam as decisões arquitetônicas que equilibram a funcionalidade com restrições práticas de recursos.
Qual é a camada de rede na arquitetura da IoT e o que ela faz?
A camada de rede serve como backbone da comunicação nos sistemas de IoT. Ele transmite de maneira confiável dados que a camada de percepção coleta para a camada de processamento, enquanto permite que os comandos de controle fluam na direção inversa. Figura 4 mostra os diferentes componentes das camadas de rede, incluindo todos os principais protocolos de comunicação.
Essa camada gerencia a conectividade da rede, executa o endereço e o roteamento e garante integridade e confidencialidade dos dados durante o trânsito. Ele também lida com as principais funções, como tradução de protocolo, agregação de dados e estabelecimento de conexões seguras em topologias de rede complexas.
Quais são os principais componentes e tecnologias na camada de rede da IoT?
A camada de rede depende de vários componentes -chave, incluindo gateways que preenchem redes de dispositivos locais com redes mais amplas, roteadores e interruptores que direcionam o tráfego de rede e a infraestrutura fÃsica e sem fio subjacente.
As tecnologias de comunicação são selecionadas com base em requisitos de aplicativos especÃficos e incluem protocolos sem fio de curto alcance (Wi-fiAssim, BluetoothAssim, ZigBee), redes de área ampla de baixa potência (Lorawan, NB-IoT), redes celulares (4G, 5g) e conexões com fio como Ethernet.
Essas conexões fÃsicas suportam vários protocolos de comunicação, dos TCP/IP e UDP/IP em nÃvel de rede a protocolos de mensagens da camada de aplicativos como MQTT, CoAP, AMQP e HTTP/HTTPS. Protocolos especializados, como 6LowPan e RPL, permitem comunicação eficiente em ambientes restritos.
Que considerações arquitetônicas são importantes ao projetar a camada de rede?
Ao projetar a camada de rede, as organizações devem considerar cuidadosamente a troca entre gerenciamento centralizado e risco distribuÃdo. Enquanto Gateways Forneça tradução essencial de protocolo e integração de rede, eles podem se tornar pontos únicos de falha.
Um gateway comprometido pode expor toda a rede local de dispositivos conectados, destacando a importância de medidas robustas de segurança nesses pontos de junção. A arquitetura deve equilibrar a simplicidade da agregação centralizada contra os benefÃcios de resiliência de abordagens mais distribuÃdas.
Resumo
A camada de percepção é a primeira camada responsável por detectar e coletar dados do mundo fÃsico. As principais tecnologias envolvidas aqui são sensores, RFIDs e câmeras, para citar alguns. A camada de rede é a espinha dorsal que permite a comunicação e a transferência de dados entre dispositivos e sistemas de nÃvel superior, garantindo interoperabilidade, escalabilidade e segurança. As perguntas frequentes a seguir cobrirão o restante das camadas.
Referências
Processamento de eventos complexos para segurança fÃsica e cibernética em datacentros – progresso recente, desafios e recomendaçõesSpringer Nature
Desenvolvimento de dispositivos de segurança e monitoramento inteligentes baseados em IoT para agriculturaResearchGate
Uma pesquisa sobre segurança da IoT com base em uma arquitetura em camadas de detecção e análise de dadosSensores
Uma pesquisa abrangente de desafios relacionados à segurança na Internet das coisasResearchGate
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