Introducción al Internet de las Cosas (IoT)

Internet de las Cosas (IoT)

• Se debe a D. Kevin Ashton y se encuentra en el Massachusetts Institute of Technology.
• La conexión autónoma de un sensor a Internet para el uso y visualización de datos.
• Conceptos relacionados incluyen: IoT, Gateway, Web, Server, IP.

Definiciones de Internet de las Cosas (IoT)

• Según la CE, es una infraestructura con miles de millones de sensores integrados en objetos cotidianos, diseñados para registrar, procesar, almacenar y transferir datos, asociados a identificadores únicos para interactuar con otros dispositivos o sistemas en red.
• Según la UIT, es una infraestructura para la Sociedad de la Información que permite servicios avanzados interconectando cosas físicas y virtuales, basados en tecnología de información y comunicación interoperable y en evolución.
• Dispositivo IoT según la UIT: un equipo con capacidades obligatorias de comunicación y opcionales de detección, accionamiento, adquisición, almacenamiento y procesamiento de datos.
• Hoy en día se conoce como Internet de Todo (Internet of Everything), superando el concepto de Machine to Machine.

Elementos de un Proyecto IoT

• Web/App, LAN/WSN Cloud computing Server y Datos son esenciales.
• Incluye la visualización e interacción con los datos y su análisis para información de negocio.
• Componentes de infraestructura: IoT/WSN, Web/APP, Server, Cloud computing, Fog computing.

Fog Computing

• Los datos se procesan cerca de los dispositivos antes de enviarlos a la nube.
• Beneficios: Menos envío de datos, mayor seguridad.
• Inconvenientes: Más equipos, mayor mantenimiento y gestión.

Aspectos Clave de un Proyecto IoT

• Requerimientos: preferencia de red, datos a enviar, comunicación bidireccional, etc.
• Componentes físicos: Sensores y equipos físicos.
• Infraestructura de comunicaciones: Equipos de comunicaciones, contratos de red.
• Plataforma y software: Elección de la plataforma, web server, visualización de datos.
• Consideraciones importantes: Coste y tiempo de puesta en servicio.

Aplicaciones del IoT

• Automatización y control industrial, monitorización de procesos y líneas de producción.
• Ahorro energético mediante control de refrigeración/calefacción.
• Salud, vigilancia y seguridad.
• Bio-ingeniería.
• Prevención, detección y control de fenómenos ambientales.
• Smart Cities, domótica e inmótica, automoción.

Ventajas del IoT

• Reducción de costes con automatización.
• Ahorro de tiempo al automatizar tareas con máquinas.
• Visualización de datos desde cualquier lugar.
• Uso de estándares internacionales y dispositivos más baratos.
• Mayor información para mejores decisiones, nuevos negocios.

Desventajas del IoT

• Seguridad: Necesidad de monitorización constante contra ataques.
• Fiabilidad de la información: Requiere personal formado.
• Coste inicial: Puede ser visto como un gasto significativo por las empresas.
• Dependencia del proveedor o altos costes si se implementa internamente.

Redes de Ordenadores

• Objetivo: Interconectar máquinas distantes para ejecutar aplicaciones, o más concretamente, procesos.
• Modelo de servicio: Mover bytes entre programas en diferentes ordenadores.
• Aplicaciones comunes: Compartir información en red.

Modelo de Referencia OSI

• Capas: Físico, Enlace, Red, Transporte, Sesión, Presentación, Aplicación.
• Capa de Presentación: Permite el acceso a recursos de red, traduce, cifra y comprime datos.
• Capa de Aplicación: Establece, gestiona y termina sesiones.
• Capa de Transporte: Proporciona comunicación confiable entre procesos y recuperación de errores.
• Capa de Red: Mueve paquetes entre origen y destino, ofreciendo un servicio de conexionado virtual entre redes.
• Capa de Enlace: Organiza bits en tramas para una distribución tramo a tramo de los datos.
• Capa Física: Transmite bits y define especificaciones mecánicas y eléctricas.

Modelo de Referencia TCP/IP

• Desarrollado antes del modelo OSI, no coincide exactamente con él.
• Inicialmente con cuatro niveles, actualmente cinco.
• No incluye capas de sesión y presentación, que se incorporan a la capa de aplicación.
• Capas: Físico, Enlace, Interfaz de Red, Internet, Transporte, Aplicación.

Estructura Administrativa de Internet

• Organizaciones clave: The Internet Engineering Task Force (IETF), Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (ICANN), Internet Assigned Numbers Authority (IANA), Internet Society (ISOC), The Internet Research Task Force.
• Las direcciones IP se asignan jerárquicamente.
• El organismo responsable de la numeración es IANA.
• Los ISPs solicitan direcciones IP a los LIR, NIR o RIR.
• Las direcciones IP son localizables según la información de los operadores en los registros.

Orígenes y Normalización de Internet

• El Departamento de Defensa de los EEUU desarrolló un sistema de conmutación de paquetes.
• La normativa de Internet se estructura a través de documentos de la IETF: Request for Comments (RFC) y Drafts.

Capa de Red

• Responsable de llevar la información desde el origen hasta el destino a través de elementos intermedios (routers).
• Los routers se configuran estática o dinámicamente, pero se prevé una configuración centralizada mediante Software Defined Network.
• El elemento clave para el encaminamiento es la dirección.
• Versiones de direcciones: IPv4, IPv6.
• Tipos de direcciones: Estáticas, Dinámicas.

Tipos de Direcciones IP

• Según el destino: Unicast, Broadcast, Multicast, Anycast.
• Según el uso: Públicas, Privadas.

Direcciones IPv4

• Estructura: Datos (variable length, typically a TCP or UDP segment), identificador (bit identifier), header, checksum, time to live.
• Los bits se agrupan en cuatro elementos para identificar la dirección de forma sencilla.

Direcciones IPv4 (Continuación)

• El encaminamiento usa direcciones de red y máscaras.
• Clases: A, B, C, con rangos y cantidad de hosts variables.
• Direcciones IP privadas: Asignables dentro de una organización sin reenvío directo a Internet.
• IPv4 está agotado.

Network Address Translation (NAT)

• RFCs definen NAT, se usa para redes privadas con conexiones a Internet.
• Formas: Traducción IP privada a IP pública o traducción IP privada más puerto a IP única.
• Port Address Translation (PAT): Utiliza una IP pública para múltiples comunicaciones privadas.
• Para ciertas aplicaciones, es necesario asociar una serie de puertos en las tablas, por ejemplo, para servicios Web o P. Es común redireccionar el puerto externo al puerto en la red privada.

Protocolos Usados en IPv4

• Address Resolution Protocol (ARP)
• Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP)
• Internet Control Message Protocol (ICMP)

DHCP

• Asigna direcciones IP dinámicamente a nuevos usuarios.
• El crecimiento de dispositivos con acceso a Internet ha reducido el espacio de direcciones IPv4.

IPv6

• Desarrollado en IETF para soportar miles de millones de IPs, reducir tablas de encaminamiento, mayor velocidad de procesado en routers, mayor seguridad, mejor QoS, multidifusión mejorada, movilidad de hosts mejorada y compatibilidad con IPv4.
• Estructura del encabezado: data, destination address, source address, payload len next hdr hop limit, ver pri flow label.
• Dirección IPv6 y abreviaciones: Se pueden eliminar los ceros iniciales, y los grupos de cuatro ceros consecutivos se pueden sustituir por "::".

Direcciones IPv6 (Tipos)

• Unicast: Global Unicast (direcciones globales), Link-local (comunicación en el mismo enlace), Unique Local (direccionamiento local dentro de un sitio).
• Loopback (::/), Sin especificar (::/). Multicast: Assigned multicast (reservadas para ciertos protocolos o dispositivos), Solicited node (mapeables a direcciones Ethernet multicast).
• Métodos de asignación: Automática (stateless con NDP) o administrada (statefull con DHCPv6).

Medios de Transmisión

• Clasificación: Cableados o inalámbricos, metálicos o no metálicos; fenómeno físico (electromagnético, óptico, acústico), modulación (digitales y analógicos), banda del espectro (libres, restringidos, licenciados), estructura de la red (estrella, buses, anillos).

Medios de Transmisión (Cableados)

• Metálicos: par de cobre, par trenzado, coaxial.
• Ópticos: fibra óptica multimodo y monomodo.

Medios de Transmisión (Inalámbricos)

• Ondas electromagnéticas: celulares, WiFi, NFC.
• Ópticos: Infrarrojos y láser.

Organismos de Estandarización

• Mundiales: ISO/IEC, IEEE, ITU.
• EE. UU.: ANSI, TIA.
• Europeas: ETSI, ECMA.
• Para Internet: IAB, IETF.

Redes de Telecomunicaciones

• Red troncal (o de transporte), red de acceso.
• Las redes de acceso se limitarán a fibra óptica e inalámbricas.
• Las redes de transporte son IP/MPLS.

Tecnologías Cableadas

• Par de cobre (bucle de abonado tradicional), cable coaxial, fibra óptica (principalmente para troncales).
• DSL Par de cobre Punto a punto UIT-T, ETSI.

Tecnologías de Fibra Óptica

• HFC: Bidireccional, medio compartido, Km DOCSIS, DVB.
• FTTx: Bidireccional, Km UIT-T, FSAN.
• RTC: Par cobre Punto a punto Km UIT-T.

Redes Telefónicas Cableadas

• Centrales locales, primarias, secundarias, terciarias, red complementaria.
• ADSL, Internet, Conmutador ATM, Router IP, Voz, RTC, Central telefónica, Circuitos de voz, PC, LAN, Modem, XDSL, Filtro, Equipos de voz analógicos, Par de hilos, DSLAM.

Hybrid Fiber Coaxial

• Usa cabecera central y remota, transporte, acceso y usuarios.
• Distribución con fibra y dispersión con coaxial.
• Las redes PON siguen una topología punto a multipunto, minimizan el uso de transductores ópticos.

Medios de Transmisión (Fibra Óptica)

• WDM (Wavelength Division Multiplexing) PON
• CO: Central Office , RN: Remote Node.

Tecnologías Inalámbricas

• Tecnologías inalámbricas han evolucionado de manera distinta.
• Redes celulares, Wifi, Bluetooth, GSM, GPRS, UMTS, HDSPA y LTE, RFID, NFC, ZigBee.
• Las inalámbricas más usadas en dispositivos móviles https://www.semtech.com/lora : Alcance, Tasa de envío.
• Las inalámbricas más usadas en dispositivos móviles, banda de trabajo, alcance típico y nivel de potencia.
• Las inalámbricas más usadas en dispositivos móviles : gran cantidad de tecnologías compiten, llevando a pérdida de interoperabilidad, guerras corporativas y problemas con capas superiores.
• Faltan soluciones de bajo bit rate y largo alcanze.

Redes Celulares

• Permiten la comunicación entre terminales mediante infraestructura basada en celdas con estaciones base.
• Tecnologías: GPRS, UMTS (WCDMA), LTE, GPRS General Packet Radio Service – Kbs AsimétricosConmutación de paquetes. UMTS Universal Mobile Telecommunications : Hasta Mbps Incorpora QoS.
• Incrementa posibles servicios y prestaciones. LTE Long Term Evolution: Incrementa seguridad con G. LTE, LTE-Advanced: hasta varios Gbps.

SMS

• (Short Message Service)
• Servicio de mensajes utilizado también para configuración de terminales y avisos de seguridad.

LTE

• Long Term Evolution
• Dispone de cuatro tipos de conexiones para IoT: Fuente.
• (ms) Mbps.
• Válida para cualquier necesidad: Operadores usaran redes virtuales: LAN, WAN, VX,IoT sensores, IoT de edificios, . La arquitectura de red se visualiza también como un servicio como en Cloud computing. Casos de uso:
• Volumen de tráfico con altas tasas de acceso (mercado móvil actual evolucionado). enhanced Mobile BroadBand (eMBB)
• Cantidad de dispositivos de bajo coste y bajo consumo (IoT) massive Machine-Type Communication (mMTC)
• Aplicaciones con baja latencia, alta fiabilidad y disponibilidad . Ultra-Reliable and Low-Latency Communication (URLLC).

IEEE

• Standard for Local and metropolitan area networks Part.4
• Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs.)
• La especificación comprende solo el nivel Físico y la capa de acceso al medio (MAC) ΙΕΕΕ .4 https://standards.ieee.org/getieee/download/802.15.4-.pdf Pensado para satisfacer las necesidades de las aplicaciones de control y monitorización en WPAN: Redes de sensores, Control y automatización, Instrumentación " Poca o nula infraestructura " Corto alcance (decenas de metros) " Baja potencia. Máquina a máquina (M/M). Bajo coste. " Bajo consumo y Ciclos de trabajo cortos. Paquetes pequeños. Material adaptado parcialmente del documento IEEE ® .4 Protocol Options Overview. Matt Maupin. Disponible en: http://www.freescale.com/files/training_pdf/VFTFAE.pdf Es una tecnología optimizada para aplicaciones de ciclo de trabajo bajo.
• Mayor vida de la batería y Protección frente a inferencias.
• Forma parte de la pila de protocolos de muchas tecnologías: ZigBee®, WirelessHART™™ e ISA

WirelessHART

• Automatización industrial a través de comunicaciones inalámbricas.
• En sí es parecido a Wireless HART en los niveles físico y enlace pero el ISA .a está previsto para que los niveles superiores empleen la IPv
• LoWPAN y no el protocolo HART.
• Se han definido diferentes niveles físicos para adaptarse a distintas bandas de frecuencia. Full-Function Device (FFD)
• Puede actuar como coordinador así como router.
• Implementa .4 completo y Normalmente siempre alimentado y activo. Reduced-Function Device (RFD)
• Implementa una versión mínima de .4. Solo se conecta con un dispositivo padre.
• Puede ser un dispositivo "durmiente” y Suelen ser dispositivos en el borde de la red. Tipos de dispositivos
• Coordinador de la red (FFD): configurado para realizar los servicios de sincronización mediante la transmisión de balizas.
• Establece la red y mantiene un conocimiento general de la red y Solo uno por red.