¿Qué significa pasarela?
Explicación sencilla: La pasarela es lo que comúnmente llamamos “router”. En la red de Internet que todos conocemos, la pasarela actúa como un dispositivo intermediario que conecta la red interna con otras redes de Internet.
Una explicación más técnica: se refiere a la “puerta de enlace” que conecta esta red con otra red. Todo el mundo sabe que, para pasar de una habitación a otra, hay que atravesar una puerta. Del mismo modo, para enviar información de una red a otra hay que pasar por una “puerta de enlace”, que es precisamente la gateway. Como su nombre indica, una gateway es una “puerta de enlace” que conecta una red con otra. La gateway también se denomina conector de Internet y convertidor de protocolos.
Una pasarela también se denomina «convertidor de protocolos». La función de la pasarela es permitir la interconexión entre redes. Las pasarelas no solo permiten que las redes de área amplia se conecten entre sí, sino que también permiten que las redes de área local se conecten entre sí. La pasarela actúa como convertidor entre ordenadores y dispositivos. Es equivalente a un traductor, capaz de convertir diferentes protocolos, lenguajes y datos entre distintos sistemas.
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¿Qué es un Pasarela de IoT industrial?
Pasarela de Internet de las Cosas, como nuevo concepto, desempeñará un papel muy importante en la futura era del Internet de las cosas. Se convertirá en el enlace entre la red de sensores y la red de comunicaciones tradicional. Como dispositivo de puerta de enlace, la pasarela de IoT permite la conversión de protocolos entre redes de sensores y redes de comunicación, así como entre diferentes tipos de redes de sensores. Permite la interconexión de área amplia. También es posible lograr la interconexión de área local. Además, la pasarela de IoT debe contar con funciones de gestión de dispositivos. Los operadores pueden gestionar los nodos sensores subyacentes a través de la Dispositivo de pasarela IoT, comprender la información relevante de cada nodo y lograr el control remoto. La figura 1 muestra esquemáticamente una topología típica del Internet de las cosas construida con una pasarela del Internet de las cosas.
Diseño de pasarelas de IoT
Funciones de la pasarela de IoT:
(1) Amplias capacidades de acceso
En la actualidad existen numerosas normas técnicas para las comunicaciones de corto alcance. Entre las tecnologías habituales de redes de sensores inalámbricos (WSN) se encuentran Lonworks, ZigBee, 6LowPAN, RUBEE, etc. Estas diversas tecnologías se desarrollan principalmente para una aplicación concreta y adolecen de falta de compatibilidad y de planificación del sistema. Por ejemplo, Lonworks se utiliza principalmente para la automatización de edificios, mientras que RUBEE es adecuado para entornos hostiles. ¿Cómo lograr la compatibilidad de protocolos, las interfaces y la planificación del sistema? En la actualidad, numerosas organizaciones, tanto nacionales como internacionales, están llevando a cabo labores de normalización sobre Pasarelas IoT, como el 3GPP y los grupos de trabajo sobre sensores, con el fin de lograr la interconexión y la interoperabilidad de los distintos estándares de tecnologías de la comunicación.
(2) Capacidad de conversión de protocolos
La conversión de protocolos de diferentes redes de sensores a redes de acceso encapsula de manera uniforme los datos en el formato estándar de la capa inferior para garantizar que los protocolos de las distintas redes de sensores puedan convertirse en datos y señales unificados; analiza los paquetes de datos enviados por la capa superior y los desglosa en señales de detección e instrucciones de control que puedan ser reconocidas por los protocolos de la capa.
(3) Facilidad de gestión
Para cualquier red de gran tamaño es esencial contar con potentes capacidades de gestión. En primer lugar, es necesario gestionar la pasarela, lo que incluye la gestión del registro, la gestión de derechos, la supervisión del estado, etc. La pasarela se encarga de la gestión de los nodos de la subred, lo que incluye la obtención de la identidad, el estado, los atributos y el nivel de energía de los nodos, así como la activación remota, el control, el diagnóstico, la actualización y el mantenimiento. Dado que los estándares técnicos de las subredes varían y la complejidad de los protocolos es diferente, las capacidades de gestión de las pasarelas también difieren. Este artículo propone un enfoque modular de pasarela de IoT para gestionar diferentes redes de sensores y diferentes aplicaciones, garantizando que se pueda utilizar una tecnología de interfaz de gestión unificada para gestionar los nodos periféricos de la red. Jerarquía:
1) Capa de servicios empresariales
La capa de servicios empresariales consta de un módulo de recepción de mensajes y un módulo de envío de mensajes. El módulo de recepción de mensajes se encarga de recibir mensajes estándar del sistema de gestión de operaciones empresariales del IoT y de remitirlos a la capa de composición de mensajes estándar. El módulo de envío de mensajes se encarga de transmitir de forma fiable la información recopilada por la red de extensión de percepción al sistema de gestión de operaciones empresariales. Los mensajes recibidos y enviados por esta capa deben ajustarse a los formatos de mensaje estándar.
(2) Capa de composición de mensajes estándar
La capa de composición de mensajes estándar consta de un módulo de análisis de mensajes y un módulo de conversión de mensajes. El módulo de análisis de mensajes analiza los mensajes estándar procedentes de la capa de servicios de negocio y llama al módulo de conversión de mensajes para convertir dichos mensajes en un formato de datos que pueda ser comprendido por el dispositivo de extensión de percepción subyacente, en función del protocolo de comunicación específico del dispositivo. Cuando la capa de extensión de percepción envía datos, el módulo de análisis de mensajes de esta capa analiza el mensaje según el protocolo de comunicación específico del dispositivo y llama al módulo de conversión de mensajes para convertirlo en un mensaje de formato estándar que la capa de servicios empresariales pueda recibir. La capa de composición de mensajes es el núcleo de la pasarela del Internet de las Cosas. Realiza el análisis de los mensajes estándar y de los mensajes que dependen de redes de extensión de percepción específicas, y lleva a cabo la conversión recíproca entre ambos, logrando así un control y una gestión unificados de la red de extensión de percepción subyacente y protegiendo la red subyacente frente a la heterogeneidad de los protocolos de comunicación.
(3) Capa de adaptación de protocolos
La capa de adaptación de protocolos garantiza que los distintos protocolos de la capa de extensión perceptiva puedan transformarse en señales de datos y control en un formato unificado a través de esta capa. (4) Capa de extensión perceptiva
Esta capa amplía el dispositivo a la percepción subyacente e incluye dos submódulos: el de envío de mensajes y el de recepción de mensajes. El módulo de envío de mensajes se encarga de enviar el mensaje
El mensaje, una vez convertido por la capa de composición de la información y de forma que pueda ser interpretado por el dispositivo de extensión de percepción específico, se envía al dispositivo subyacente.
El módulo de recepción de mensajes recibe mensajes del dispositivo subyacente y los envía a la capa estándar de composición de mensajes para su análisis.
La red de extensión de percepción está formada por dispositivos de percepción, entre los que se incluyen RFID, GPS, sistemas de videovigilancia, diversos tipos de sensores, etc. Se admiten diversos protocolos de comunicación entre los dispositivos de extensión de detección, que pueden formar redes Lonworks, Zigbee y otras redes de extensión de detección diversas.
Proceso de intercambio de información
(1) El usuario final genera un mensaje que se ajusta al formato de datos estándar y lo envía al módulo de recepción de mensajes de la capa de servicios empresariales de la pasarela. (2) El módulo de recepción de mensajes de la capa de servicios empresariales envía los mensajes estándar al módulo de análisis de mensajes de la capa de composición de mensajes estándar.
(3) El módulo de análisis de mensajes llama a la función de conversión de mensajes correspondiente para convertir la información estándar en mensajes que se ajusten al protocolo de comunicación específico del dispositivo.
(4) El módulo de análisis de mensajes convierte el mensaje en uno que se adapta al protocolo de comunicación específico del dispositivo y lo transmite al módulo de envío de mensajes de la capa de servicios de extensión de percepción.
(5) El módulo de envío de mensajes de la capa de servicio de extensión de percepción selecciona un método de transmisión adecuado y envía mensajes específicos, que dependen del protocolo de comunicación del dispositivo, al dispositivo subyacente correspondiente.
(6) El dispositivo subyacente lleva a cabo operaciones de recopilación de información basadas en mensajes específicos y devuelve los resultados al módulo de recepción de mensajes de la capa de servicios ampliados de reconocimiento de pasarelas.
(7) El módulo de recepción de mensajes de la capa de servicio de extensión de percepción de la pasarela transmite mensajes específicos, que dependen del protocolo de comunicación del dispositivo, al módulo de análisis de mensajes de la capa de composición de mensajes estándar.
(8) El módulo de análisis de mensajes recurre al módulo de conversión de información para convertir mensajes específicos —que dependen del protocolo de comunicación del dispositivo— en mensajes estándar. Como se puede observar en la figura 3, la pasarela de IoT resuelve el problema del control y la gestión unificados de los distintos dispositivos de la red de IoT, logra el objetivo de ocultar las diferencias en las comunicaciones subyacentes y elimina la necesidad de que los usuarios finales conozcan los detalles específicos de comunicación de los dispositivos subyacentes para poder controlar los distintos dispositivos. Acceso unificado a los dispositivos de la capa de extensión de la conciencia.
Tecnología clave
En el diseño del sistema de pasarela de IoT se han resuelto las siguientes tecnologías clave.
Unificación de los protocolos de interacción de software: La idea de diseño del sistema de pasarela de IoT consiste en implementar las distintas partes de software y hardware de forma modular, lo que facilita enormemente la sustitución de módulos para lograr diferentes redes de extensión de percepción e interconexiones de redes de acceso, ocultando las diferencias de comunicación de la capa subyacente. Los módulos de hardware se conectan mediante un bus UART, y el software se ejecuta de forma modular y cargable, mientras que las partes comunes se abstraen en módulos públicos. Por lo tanto, para dar soporte a nuevos módulos de agregación de datos y módulos de acceso, solo es necesario desarrollar los módulos de hardware y los controladores correspondientes. Además, se añade una capa unificada de adaptación de protocolos (como se muestra en la figura 6): los datos de la aplicación se extraen de forma uniforme, se organizan según el formato TLV (tipo, longitud, valor) y, a continuación, se encapsulan los paquetes de datos. De este modo, todos los paquetes de datos IP estándar se transmiten en la red de acceso, que encapsula los datos recopilados en formato TLV.
Traducción unificada de direcciones: Las distintas redes de recopilación de datos utilizan diferentes métodos de direccionamiento, como las direcciones cortas de 16 bits en ZigBee y las direcciones de 64 bits en 6LowPan. En la aplicación, solo es necesario poder localizar nodos específicos. No es necesario preocuparse por si los nodos utilizan direcciones IP o direcciones cortas de 16 bits, ni por si la conexión entre nodos se realiza mediante ZigBee, 6LowPan u otros métodos. La conversión de estas direcciones a una representación unificada resulta beneficiosa para el desarrollo de aplicaciones. Por lo tanto, se ha implementado un mecanismo de mapeo de direcciones en la pasarela para asignar la dirección IP o la dirección corta de 16 bits a un identificador (ID) unificado. Solo hay que prestar atención a esto durante la interacción con la aplicación: basta con el ID. El método de mapeo específico puede ser acumulativo a partir de 1. Cuando la pasarela recibe los datos del primer nodo, asigna la dirección del nodo al 1 y, posteriormente, va sumando 1 de forma secuencial, guardando esta tabla de asignación en la pasarela. Al mismo tiempo, también se utiliza un mecanismo de caducidad. Cuando no se reciben datos del nodo en un periodo de tiempo determinado, se elimina la relación de asignación.
Unificación de la interfaz de datos del módulo de recopilación: se define un conjunto de comandos AT entre el módulo de recopilación y la pasarela, y los nodos se conectan en red mediante el protocolo ZigBee. La interfaz con la pasarela se centra únicamente en algunas instrucciones de control e instrucciones de interacción de datos para el módulo de recopilación, y no tiene en cuenta el protocolo de red específico, con el fin de lograr la independencia del protocolo de red.
Gestión de las relaciones de mapeo de datos: La gestión de las relaciones de mapeo en los datos de comunicación entre dispositivos de dos o más sistemas conectados a través de la pasarela —es decir, el direccionamiento en el sentido habitual— constituye un paso muy importante. En esta parte, los dispositivos del bus también varían considerablemente en función de la conexión a la pasarela. Esta pasarela analiza los formatos de datos de entrada y salida de todos los módulos posibles y, a continuación, define las interfaces de comunicación correspondientes a cada módulo.
