Per l'IoT tutto ruota attorno alle comunicazioni dei dati, anche a livello applicativo. Questo post esplora tre concetti chiave che rendono possibile un flusso di dati senza interruzioni nei sistemi IoT:
- Modelli di comunicazione
- Protocolli di comunicazione
- Sistemi di messaggistica avanzati
Esaminiamo cosa ciascun concetto contribuisce alle comunicazioni dati efficaci nell'IoT.
Implementazione di Modelli di Comunicazione Efficaci per Applicazioni IoT
Una delle prime decisioni da prendere riguardo a un sistema IoT è quali nodi devono comunicare con quali altri nodi. Su una rete IoT, la comunicazione può avvenire da un nodo a un altro nodo (punto a punto), da un nodo a molti nodi (o da molti nodi a un nodo), o da molti nodi a molti altri nodi.
Dopo aver selezionato un'architettura di rete, il passo successivo è definire quando e come i dati si sposteranno da nodo a nodo. I modelli di comunicazione popolari includono l'invio di dati come risposta a una richiesta o la trasmissione a qualsiasi nodo interessato a riceverli.
Modello richiesta-risposta
Chiunque abbia mai usato un telefono o Internet è familiare con la comunicazione richiesta-risposta. In questo modello, un endpoint emette una richiesta di informazioni e un altro nodo risponde.
La comunicazione richiesta-risposta è ben adatta per comunicazioni punto a punto dove la posizione di un'entità rispondente è nota a un'entità richiedente (come su una rete telefonica). È anche efficace quando molte entità richiedenti devono comunicare con un'entità rispondente, come nelle architetture client-server su cui è costruita gran parte dell'Internet odierna. In un'architettura client-server, le informazioni sono centralizzate in un'unica posizione (un server) e qualsiasi nodo (client) consapevole di quella posizione può richiedere informazioni da essa.
Un modello richiesta-risposta richiede che i client richiedenti sappiano dove si trovano le informazioni e quando sono disponibili. Di conseguenza, fatica nelle comunicazioni molti-a-molti dove le informazioni fluiscono più liberamente e sono decentralizzate, che è uno scenario comune nelle reti IoT guidate dagli eventi.
In queste situazioni, un modello publish-subscribe (PubSub) è più appropriato.
Modello publish-subscribe
I modelli publish-subscribe superano le sfide di scalabilità delle implementazioni richiesta-risposta trasmettendo dati come messaggi che sono categorizzati in argomenti.
In una rete PubSub, i "publisher" (mittenti di messaggi) inviano messaggi relativi a un argomento sulla rete e i nodi sottoscrittori (ricevitori di messaggi) si iscrivono per ricevere tutti gli aggiornamenti su quell'argomento. Le implementazioni PubSub possono includere una tecnologia chiamata message broker, che aiuta a gestire lo scambio di dati tra applicazioni, sistemi e servizi iscritti a un argomento.
In alcuni casi, i message broker eseguono anche la conversione del protocollo per le implementazioni IoT che utilizzano HTTP, MQTT, AMQP, CoAP e/o altri protocolli. Questo migliora la trasparenza della comunicazione e la flessibilità architettonica nelle reti IoT eterogenee, specialmente dove è richiesta l'implementazione plug-and-play di nodi distribuiti.
Protocolli di Comunicazione IoT Popolari
Diversi protocolli di comunicazione sono più adatti a diverse architetture di rete e modelli di comunicazione. Questi protocolli, alcuni dei quali sono menzionati sopra, descrivono come i dati vengono trasmessi su una rete.
Quattro protocolli in particolare si distinguono per il loro uso diffuso ed efficacia nelle implementazioni IoT: HTTP, CoAP, MQTT e AMQP.
Una tabella dettagliata può essere trovata qui.
HTTP (Hypertext Transfer Protocol) è un protocollo ben consolidato per la comunicazione web. Il suo principale vantaggio è la familiarità: è il più vicino possibile all'universalità di un protocollo, gli sviluppatori sono già a loro agio con esso, ed è supportato da una vasta gamma di strumenti e librerie esistenti.
HTTPS offre anche una forte sicurezza attraverso la crittografia dei dati, riducendo il rischio di manomissioni. Tuttavia, questa sicurezza comporta un aumento della potenza di elaborazione e dei requisiti di memoria, che possono essere difficili da gestire per quei dispositivi IoT con risorse limitate.
CoAP (Constrained Application Protocol) è progettato specificamente per nodi e reti vincolati, utilizzando sia modelli richiesta-risposta che PubSub. È leggero, veloce e impiega una comunicazione senza stato, rendendolo ideale per reti a bassa potenza e con perdite.
CoAP utilizza intestazioni binarie efficienti per ridurre la trasmissione dei dati e opera su UDP, consentendo la trasmissione dei dati senza stabilire prima una connessione. Tuttavia, è meno maturo rispetto a MQTT o HTTP, il che può significare risorse e strumenti per sviluppatori limitati.
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) è un protocollo leggero, publish-subscribe che opera su TCP/IP. È altamente scalabile, utilizzando un broker che consente a un dispositivo client di comunicare con migliaia di endpoint simultaneamente. Con un basso overhead di dati, è ideale per ambienti in cui la larghezza di banda è limitata o costosa e per dispositivi con risorse limitate.
Per MQTT offre livelli di Qualità del Servizio (QoS) configurabili e una funzionalità di Last Will and Testament (LWT) per gestire le disconnessioni. Tuttavia, la sua flessibilità può portare a errori di configurazione e manca di meccanismi di sicurezza integrati, affidandosi invece alla sicurezza a livello di rete.
Come esempio di caso d'uso, la suite software Clea IoT di SECO utilizza MQTT come componente principale per la comunicazione da dispositivo a dispositivo e da dispositivo a cloud. Il modulo di orchestrazione dei dati della piattaforma, Astarte, sfrutta il protocollo MQTT per comunicare con i dispositivi sul campo e connetterli al cloud.
AMQP (Advanced Message Queuing Protocol) è un protocollo di pubblicazione-sottoscrizione simile a MQTT, ma supporta un broker di messaggi avanzato che consente un routing più sofisticato e una QoS più elevata. Uno dei modi in cui ciò viene realizzato è attraverso una tecnica chiamata message queueing, che garantisce che i messaggi vengano consegnati nell'ordine corretto.
In una rete AMQP, i messaggi vengono pubblicati su un exchange all'interno del broker AMQP. L'exchange applica quindi regole di routing per inoltrare i messaggi alle code di messaggi. Una distribuzione AMQP può contenere più exchange e code di messaggi, che si combinano con altre capacità per abilitare funzionalità come la persistenza dei messaggi, la comunicazione transazionale e la flessibilità della rete.
Tuttavia, queste funzionalità e capacità hanno un costo. AMQP ha un'impronta di rete più grande e richiede più risorse computazionali rispetto a protocolli come MQTT e CoAP. È anche più complesso da configurare, distribuire e gestire.
Il Ruolo dei Sistemi di Messaggistica Avanzati nelle Applicazioni IoT
I sistemi di messaggistica avanzati come i broker MQTT e AMQP svolgono un ruolo cruciale nella gestione della comunicazione tra i nodi IoT. RabbitMQ è un broker di messaggi open-source che può raccogliere messaggi da più fonti di streaming e instradarli verso diverse destinazioni client su una rete.
RabbitMQ è compatibile con più pattern di messaggistica, inclusi pubblicazione-sottoscrizione e richiesta-risposta. È anche in grado di supportare alti volumi di messaggi e di scalare orizzontalmente su grandi distribuzioni distribuite.
A tal fine, uno dei punti di forza chiave di RabbitMQ è facilitare la comunicazione tra client che utilizzano protocolli diversi. Ad esempio, un messaggio pubblicato tramite MQTT potrebbe essere consumato da un client che esegue AMQP o il protocollo simile a HTTP STOMP.
I protocolli di messaggistica supportati nativamente da RabbitMQ includono:
- MQTT
- AMQP
- STOMP, un protocollo di messaggistica basato su testo
- HTTPS, tramite plugin STOMP o MQTT che comunicano utilizzando WebSockets
Tra gli altri vantaggi di RabbitMQ vi sono l'integrazione della coda di messaggi (che garantisce che i messaggi vengano consegnati nell'ordine corretto), il supporto per la comunicazione asincrona che consente ai dispositivi di inviare e ricevere messaggi in modo indipendente, e una capacità di messaggistica persistente che previene la perdita di dati e migliora l'affidabilità dei trasferimenti di dati.
Queste caratteristiche si combinano per rendere RabbitMQ un sistema di messaggistica versatile che può adattarsi a una gamma di casi d'uso. In ambienti industriali, RabbitMQ può gestire i dati di telemetria dai sensori per analisi in tempo reale. Nel settore sanitario, può gestire i dati dai dispositivi indossabili per creare avvisi per i pazienti. Per le città intelligenti, può facilitare la gestione del traffico elaborando i dati provenienti da vari sensori.
Potenziare le Soluzioni di Rete IoT
SECO offre una gamma completa di soluzioni hardware e software che supportano vari modelli di comunicazione, protocolli IoT e sistemi di messaggistica. Dai potenti dispositivi di edge computing ai versatili gateway IoT, i prodotti SECO sono progettati per soddisfare le diverse esigenze di rete IoT di molteplici applicazioni e industrie.
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