Protocolli e architetture

Una introduzione generale delle architetture di reti senza fili, per l’acquisizione di dati da sensori, è utile ad inquadrare le caratteristiche, le potenzialità ed individuare la soluzione migliore per uno specifico impiego.
Si tratta di reti che rientrano nell’acronimo di LPWAN, Low Power Wide Area Network)[Nota 1].
Una rete di sensori senza fili, Wireless Sensor Network (WSN), per l’Internet of Things[Nota 2] (IoT), fa uso principalmente di comunicazioni radio in banda libera.
L’uso di tale banda è determinato dalla necessità di economicità e di facile diffusione (non limitata da concessioni e burocrazia). I relativi protocolli sono condizionati dalle normative vigenti.

Unica eccezione che si ritiene interessante è la trasmissione di dati attraverso fornitori di servizi telefonici, con meccanismi tipo Narrow Band IoT (NB-IoT) e simili[Nota 3], per i quali si prevede una forte evoluzione con l’avvento del 5G.

Lo scopo finale della comunicazione è quello di rendere accessibili i dati sulla rete internet e all’applicativo finale.

I protocolli disponibili per l’IoT sono numerosi, non sempre legati a standard, pilotati da necessità tecniche, da interessi commerciali e di mercato. Qualcuno[Nota 4], già diversi anni fa, sosteneva che se non esiste il protocollo che serve, basta aspettare, certamente verrà creato, per sottolinearne il numero crescente, la dinamicità e varietà

I nodi (sensori e/o attuatori) possono essere collegati direttamente alla rete IP/Internet oppure essere aggregati, attraverso un opportuno meccanismo, con un collettore centrale (un gateway) a sua volta collegato ad internet con connessioni wireless o wired.

La figura che segue fornisce una panoramica dei numerosi protocolli e relativi nomi (da [1]).

Protocol stack
Pila di protocolli per le tecnologie di rete IoT

È interessante notare come la stratificazione (pila, stack) proposta in figura non è strettamente conforme al modello di riferimento OSI (ISO/OSI Reference Model), questo perché la comunicazione in genere e, in particolare in ambito IoT, impone necessità come vincoli di potenza di calcolo, richiesta energetica dei dispositivi periferici, tipologie di traffico con scambi brevi e a intervalli non sempre regolari, condizioni che non consentono l’adozione automatica dei protocolli tradizionali, ma richiedono tecniche specifiche.

Un esempio è la mancata adesione al classico protocollo TCP/IP. Il primo evidente motivo è la ridotta capacità di indirizzamento IPv4, nei confronti della numerosità dei dispositivi da collegare, che può essere aggirata con l’adozione del protocollo IPv6. In questo caso, però, la struttura dei pacchetti, l’ header[Nota 5], in particolare, è troppo complesso per essere trattato in modo efficiente da dispositivi tipici IoT, vincolati nelle risorse.
I protocolli IoT sono nati per sopperire a queste problematiche, riformulando gli strati funzionali che coinvolgono la comunicazione: fisico, data link, network e applicativo.
Lo standard IEEE 802.15.4 (layer fisico e data link) definisce la massima dimensione del pacchetto trasmissibile in 127 byte definendo un opportunamente l’header. Con 6LoWPAN, strato di rete, riformula il formato di header dell’indirizzamento IPv6.
I dati accessori, indispensabili per trasportare l’informazione, occupano buona parte del corto pacchetto 802.15.4, lasciando nel caso peggiore soli 33 byte per veicolare la effettiva informazione (application payload).

Tralasciando i dettagli dei singoli campi, le figure che seguono, con la dimensione in byte dei campi, riassumono la problematica.

6LoWPAN
  Pacchetto 6LoWPAN  su 802.15.4. Max 127 byte

 

Confronto headers
Confronto header: IPv6 classico e con 802.14.4

La figura, di questo specifico esempio, evidenzia UDP come trasporto: anche questa una scelta di risparmio. La gestione di UDP è più snella, non dovendo manipolare connessioni, meccanismi di acknowledge e ritrasmissioni.

La scelta del protocollo e delle architetture, per la specifica applicazione, dipende da diversi fattori fra i quali:

  • Distanza dei sensori dai gateway.
  • Quantità dei dati da trasmettere nel tempo (ampiezza di banda / velocità di trasmissione).
  • Ritardo fra la misura e la raccolta del dato (latenza).
  • Consumo energetico.
  • Disponibilità di un collegamento stabile, wireless o wired, verso internet.
  • Ambito applicativo (industriale, domestico, urbano, …).
  • Disponibilità di infrastrutture.

Sono possibili diverse architetture per reti IoT per acquisizione sensori. Topologie ricorrenti sono reti a stella, reti a stelle di stelle e reti magliate.

Topologia di rete I singoli nodi possono avere capacità di instradamento (routing) per trasportare dati dei nodi che non hanno visibilità  diretta con il gateway
E’ il caso di reti magliate (meshed) o stelle di stelle.
Questo meccanismo consente di aumentare il raggio di copertura wireless ma, allo stesso tempo, un nodo con capacità di instradamento, richiede maggiore memoria per gestire rotte, maggiore potenza di calcolo per elaborarle e maggiori richieste energetiche.

Le reti a stella senza capacità di instradamento possono utilizzare nodi con modeste capacità di elaborazione. Per consentire adeguate superfici di copertura hanno, generalmente, una bassa capacità del canale trasmissivo: un ridotto bit rate è una necessità per coprire maggiori distanze a parità di altri parametri.

Un modo usuale e comodo per classificare i protocolli, e le relative architetture, è di suddividerli in relazione alle distanze realizzabili e alla velocità di trasmissione.

Un quadro generale è riportato in figura.

 

Confronto protocolli
Confronto protocolli

Di seguito vengono brevemente illustrati solo alcuni protocolli destinati al mondo IoT con particolare riferimento agli aspetti radio o wireless[Nota 6].
Una panoramica più completa, ma non esaustiva, è disponibile in [2].

BLE [3]

Bluetooth Low Energy, è la versione a basso consumo del classico bluetooth. I due standard non sono compatibili. Introdotto nel 2011 per l’utilizzo in ambito IoT, utilizza la banda a 2,4 GHz. Con potenze dell’ordine di decine di milliwatt, consente distanze di qualche decina di metri e velocità dell’ordine di 2 Mb/S.
BLE è molto comune in dispositivi mobili, smart phone, notebook, auricolari, interfacce verso dispositivi per la domotica e autovetture.
Lo standard è gestito da Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG).

 

Z-Wave.

Sviluppato dal 1999 ha numerose applicazioni in domotica. Si interfaccia ad internet attraverso un gateway. Utilizza la banda di 868 MHz (o equivalente nelle relative regioni ITU). Copre distanze di alcune decine di metri che estende con meccanismi di ritrasmissione dei nodi vicini (routed mesh network). La velocità di trasmissione è al massimo di 100 Kb/S.

Il progetto Z-Wave è proprietario e rilasciato su licenza a diverse aziende. Un dispositivo Z-Wave fa uso di SoC (System on Chip) solitamente basati si architettura derivata dall’8051. Gli strati fisico e data link, dei protocolli, sono conformi allo standard ITU G.9959 [ITU2012], mentre lo strato network è proprietario di Sigma Designs, Inc. (liquidata). Lo standard è gestito da Z-Wave Alliance.

 

6LoWPAN

 Architettura IPv6 Low power Wireless Personal Area Network [4] è forse il protocollo più noto in ambito IoT. Basato su standard, gestito da Internet Engineering Task Force (IETF), fornisce lo stack di networking ed utilizza IEEE 802.14.5 per gli strati data link e fisico. Usa UDP (una versione rivista) per garantire il supporto di dispositivi limitati.
Sono rivisti i meccanismi di indirizzamento e la trama dello header per favorire l’uso di pacchetti brevi. Consente una rete wireless magliata con nodi Full Function Device (FFD) aventi capacità di instradamento. Un Edge Router (gateway) interfaccia la rete wireless con internet.
Usa frequenze su bade a 868 (o 915) MHz e 2,4 GHz e consente velocità di trasmissione fino a 250 Kb/S. Le distanze coperte sono dell’ordina del centinaio di metri.
Prevede meccanismi di sicurezza a garanzia dei dati trasmessi sia a livello data link che di trasporto.

 

 

LoRa – LoraWan

 Architettura Long Range (LoRa) è un protocollo (livello fisico) proprietario sviluppato da Cycleo (Grenoble), successivamente ceduto a Symtech [4] e gestito da LoRa Alliance.
Aspetto caratterizzante di LoRa è l’interfaccia fisica (radio), che usa una modulazione a spettro largo (Spread Spectrum) denominata Chirp Spread Spectrum (CSS). Tale modulazione consente distanze fino a 10 - 15 Km, in portata ottica (Line of Sight – LoS), con le potenze tipiche permesse in banda libera: 435, 868 (o 915) MHz, con velocità di trasmissione massima di qualche decina di Kb/S.

LoRa Alliance è proprietaria della tecnologia di comunicazione e fornisce i chip che la implementano (direttamente o concedendo licenza a terzi).

Fornisce meccanismi di sicurezza a livello di rete e applicativo.

LoraWan è l’implementazione di una rete WAN che utilizza LoRa. Si tratta di una rete con topologia a stella, senza capacità di instradamento fra i nodi che, quindi, non richiedono particolari risorse. Il traffico dei nodi è raccolto da uno o più gateway, connessi ad internet, che lì inoltra verso la rete LoRaWAN. La rete è un insieme di diversi servizi che forniscono l’interfaccia fra nodo e utenza che utilizza i dati del nodo. L’insieme dei servizi possono essere forniti da una struttura in cloud (service provider) o privata.

SigFox

È una tecnologia proprietaria. Utilizza una tecnica di modulazione (livello fisico) a banda stretta (100 Hz: Ultra Narrow Band, UNB) che consente significative distanze a discapito della velocità di trasmissione. Utilizza la banda a 868 MHz (o 915 MHz), suddivisa in circa 1900 canali.

La struttura ha qualche similitudine con LoRaWAN, si tratta di una stella senza capacità di instradamento. I nodi comunicano direttamente con un gateway il quale, a sua volta è connesso, via internet alla rete SigFox.

Il traffico consentito è di 140 pacchetti, di 12 byte, per giorno, dal nodo verso il gateway (uplink). Il traffico da rete a nodo (down link) è al massimo di 4 pacchetti, di 8 byte, per giorno. La limitazione è necessaria per rispettare il duty cycle previsto dalle normative e con alto numero di nodi gestibili per gateway.

I pacchetti inviati non sono confermati con un meccanismo di riconoscimento (acknowledge). Per ridurre la provabilità di perdita di dati, il pacchetto viene inviato 3 volte su 3 frequenze differenti e può essere ricevuto da altrettanti gateway. I meccanismi di rete provvedono a deduplicare il messaggio.

I dati sono accessibili all’applicativo attraverso API.

I nodi utilizzati devono essere certificati da SigFox. La rete è proprietaria di SigFox.

 

NB-IoT, LTE-M

 architettura Sono protocolli implementati su reti di telefonia cellulari, delle quali usano sotto bande (licenziate). Sono gestiti da 3GPP (3rd Generation Partnership Project) che ha lo scopo di sviluppare e gestire i principali protocolli di telefonia mobile.

Utilizzano un sottoinsieme della struttura E-UTRA (Evolved Universal Terrestrial Radio Access), che regola l’interfaccia fra il dispositivo mobile e le cella telefonica (di fatto i layer fisico e data link), consentendo l’utilizzo delle infrastrutture esistenti senza eccessive modifiche. La ampia diffusione del sistema di telefonia mobile e di celle, a copertura del territorio, favorisce la scelta di queste tecnologie, specie in aree non coperte da altre infrastrutture.

Il canale trasmissivo ha ampiezza inferiore a quello del canale dedicato alla telefonia, a vantaggio del raggio di copertura e del risparmio energetico e, naturalmente, a svantaggio della massima velocità di trasmissione.

Il servizio offerto dai protocolli NB-IoT e LTE-M (e relative varianti e versioni) è gestito dalle compagnie telefoniche e viene reso disponibile a titolo oneroso.

L’accesso è autorizzato attraverso una SIM (Subscriber Identity Module) e sue evoluzioni particolarmente (eSIM) utili in ambito IoT.

Indicativamente, il protocollo LTE-M fornisce velocità dell’ordine di 300 Kb/s, con bassa latenza consentendo trasmissione di dati e voce anche su dispositivi in movimento.
Il protocollo NB-IoT ha velocità dell’ordine di 50 Kb/s, con maggiori latenze, ma con una migliore impronta energetica.

LTE-M è più diffuso in America, mentre NB-IoT maggiormente diffuso in Europa.

 

La seguente tabella riassume le caratteristiche principali dei protocolli descritti.

Tecnologia

Frequenza

Standard

Velocità

Distanza
Max

Durata batteria

BLE

2.4 GHz

802.15.1

2 Mb/S

30 m

Medio

Z-Wave

Sub. GHz

802.15.4

40 Kb/S

100 m

 

6LoWPAN

2.4 GHz
Sub. GHz

802.15.4

40-250Kb/S

100 m

 

LoRaWAN

Sub. GHz

Proprietario

< 50Kb/S

10 Km

Buona/ottima

SixFox

Sub. GHz

Proprietario

100 b/S

10 – 15 Km

Ottima

NB-IoT

Bande licenziate telefoniche

3GPP

100Kb/S

10 Km

Buona

LTE-M

Bande licenziate telefoniche

3GPP

350 Kb/S

7-10 Km

Media

 

 

[1] O Low Power Wide Area (LPWA) network o Low Power Network (LPN). Si sa, gli anglosassoni vanno pazzi per le abbreviazioni.

[2] Il termine IoT è stato introdotto da Kevin Ashton nel 1999, in riferimento ad una rete globale di dispositivi RFID (Radio Frequency Identification) [2].

[3] Che danno riferimento alla organizzazione 3rd Generation Partnership Project (3GPP).

[4] Non ritrovo la fonte L

[5] L’ header racchiude metadati: informazioni relative ai dati trasportati nello specifico strato.

[6] I protocolli legati al mondo IoT non riguardano solo gli aspetti radio, ma anche il trasporto su altri media, l’accesso, l’interrogazione dei dati, la sicurezza, l’autenticazione ed altro ancora.

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