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Simplifique el desarrollo de sus soluciones de IoT con arquitecturas de IoT

Estrategias para crear soluciones de IoT escalables, flexibles y robustas

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Uno de los principales desafíos que hay que enfrentar, al planificar soluciones de Internet de la Cosas (IoT), es tratar la complejidad. Una solución de IoT típica implica muchos dispositivos de IoT heterogéneos, con sensores que producen datos que después se analizan para obtener conocimientos. Los dispositivos de IoT se pueden conectar directamente a una red o a una red a través de un dispositivo gateway, lo que permite que los dispositivos se comuniquen entre ellos y con servicios y aplicaciones en la nube (Figura 1).

Figura 1. Visión humana de Internet de las Cosas (Fuente: X-Force Research and Development, “IBM X-Force Threat Intelligence Quarterly 4Q 2014,” Doc # WGL03062USEN, Fechas de Publicación: Noviembre de 2014. http://www.ibm.com/security/xforce/downloads.html)

Edge computing describe el trabajo que ocurre en los límites de la red de IoT donde los dispositivos físicos se conectan con la nube. Gracias a su enfoque para reducir la latencia, mejorar la privacidad y reducir los costos del ancho de banda dentro de las aplicaciones de IoT basadas en los datos, las arquitecturas de edge computing cada vez son más habituales dentro de IoT.

En este artículo detallo las siguientes estrategias que puede aplicar cuando planifica arquitecturas de IoT basadas en los datos. Esas estrategias le ayudan a simplificar el desarrollo, a gestionar la complejidad y a asegurar que sus soluciones de IoT sigan siendo escalables, flexibles y robustas:

  • Adopte una arquitectura por niveles
  • Segura por el diseño
  • Automatice las operaciones
  • Diseñe para la interoperabilidad
  • Siga una arquitectura de referencia

Adopte una arquitectura por niveles

La arquitectura describe la estructura de su solución de IoT, lo que incluye los aspectos físicos (esto es, las cosas) y los aspectos virtuales (como los servicios y los protocolos de comunicación). Adoptar una arquitectura con múltiples niveles le permite concentrarse en mejorar su comprensión acerca de cómo todos los aspectos más importantes de la arquitectura funcionan antes de que los integre dentro de su aplicación de IoT. Este enfoque modular le ayuda a gestionar la complejidad de las soluciones IoT.

Para las aplicaciones de IoT basadas en los datos y que conlleven la analítica de límites, la arquitectura de tres niveles que se muestra en la Imagen 2 captura el flujo de información, desde los dispositivos hasta los servicios límites, y posteriormente a los servicios en nubes. Una arquitectura de IoT más detallada también incluiría capas verticales que cortan otras capas, como la gestión de identidades o la seguridad de los datos.

Figura 2. Capas de una arquitectura de IoT

Capa de dispositivos

Los componentes de la capa de dispositivos (que se muestran en la parte inferior Figura 2) incluyen sensores físicos y actuadores que están conectados a dispositivos de IoT y los propios dispositivos de IoT. Los sensores y los actuadores normalmente no se consideran por si mismos dispositivos "inteligentes", pero los sensores y los actuadores a menudo se conectan directamente o de forma inalámbrica, a través de tecnologías como Bluetooth LE o ZigBee, a dispositivos de IoT que tienen más capacidades de procesamiento.

Algunos dispositivos de IoT se comunican directamente con relación a servicios y aplicaciones en la nube. Sin embargo, es habitual que dispositivos de IoT se comuniquen de forma ascendente a través de gateways, que son dispositivos intermedios que tienen una potencia de procesamiento ligeramente superior que la de los dispositivos básicos de IoT. Aunque no siempre llevan acoplados directamente, los dispositivos gateway juegan un importante rol en el proceso de adquisición de datos. Pueden realizar conversiones básicas analógicas y digitales, escalado y otras normalizaciones de las lecturas de datos brutos del sensor.

Capa Edge

La capa Edge (se muestra como el nivel medio Figura 2) se relaciona con servicios de analítica y de preprocesado que se ubican en el límite de la red. La analítica Edge ocurre en tiempo real (o casi en tiempo real) al procesar el flujo de datos en el punto en el que los datos se recopilan según llegan desde los sensores. Las tareas básicas de preprocesamiento, como el filtrado y la agregación de datos, se ejecutan en el límite y luego los datos principales preprocesados se transfieren en sentido ascendente hacia los servicios y aplicaciones de la nube para procesarlos y analizarlos aín más.

Capa de nube

Después de preparar los datos se envían en sentido ascendente para procesarlos aún más, almacenarlos y utilizarlos dentro de las aplicaciones de la nube, en la capa de la nube (como se muestra en el nivel superior de Figura 2). Las aplicaciones en la nube que realizan el procesado de datos, a menudo se complementan con aplicaciones móviles y con aplicaciones de clientes basadas en la web, que presentan los datos a los usuarios finales que brindan acceso a herramientas para explorar y analizar más a fondo, a través de paneles de instrumentos y de visualizaciones.

Implemente la "Seguridad por Diseño"

Para lograr una seguridad end-to-end dentro de una solución de IoT, la seguridad debe ser una prioridad por todas las capas de su arquitectura de IoT. En su arquitectura de IoT tiene que pensar en la seguridad como una preocupación común en vez de como una capa separada a abordar al final de forma aislada. Dado que hay tantos dispositivos conectados, la integridad del sistema como un todo se tiene que mantener, incluso cuando los dispositivos o los gateways individuales estén en peligro. Asegúrese de que su arquitectura soporta varios niveles de defensa. También, asegúrese de que su solución de IoT puede identificar y neutralizar dispositivos que estén en peligro, por ejemplo, utilizando gateways para aislar dispositivos vulnerables y para supervisar las comunicaciones y patrones de uso para detectar anomalías.

Debería adoptar los estándares y las mejores prácticas para esos aspectos de su infraestructura de IoT:

  • Dispositivo, identidad de la aplicación y del usuario, autenticación, autorización y control de accesos
  • Gestión de claves
  • Seguridad de los datos
  • Proteja los canales de comunicaciones y la integridad de los mensajes (utilizando el cifrado)
  • Auditoría
  • Proteja el desarrollo y la entrega

Automatice las operaciones

Asegúrese de que su arquitectura de IoT soporta la automatización y la organización a través de todas las capas. Planifique utilizar esas características de automatización cuando lance sus soluciones de IoT para que pueda soportar implementaciones y desarrollos rápidos y sencillos. Por ejemplo, se puede implementar una arquitectura de microservicios en la Capa Edge o en la Nube utilizando tecnologías de contenedores y se pueden organizar utilizando herramientas como Kubernetes, proporcionada por nuestra plataforma de IoT. Esas características hacen operaciones como configurar un gateway o un dispositivo nuevo, o implementar una nueva instancia de una aplicación en la nube para procesar los datos del dispositivo con menos propensión a tener errores. Evitar la configuración manual asegura que las operaciones serán repetibles, lo que es esencial para ser capaz de escalar a las soluciones de IoT que implican miles o incluso millones de dispositivos conectados.

Diseñe para obtener interoperabilidad

La diversidad de dispositivos, protocolos de red y formatos de datos que usted adopte en sus soluciones de IoT, presenta uno de los mayores desafíos arquitectónicos para IoT. Si para su solución de IoT tiene intención de adoptar más de una plataforma de IoT tendrá que considerar si las tecnologías que se utilizan dentro de cada plataforma de IoT se pueden integrar dentro de una solución cohesiva.

Una de las mejores prácticas para mantener la interoperabilidad en IoT es la adopción de estándares. Los estándares le brindan la flexibilidad para cambiar o introducir componentes adicionales, siempre que los componentes nuevos cumplan los mismos estándares que usted ya ha adoptado.

Las arquitecturas de referencia también brindan directrices para ayudarle a planificar su arquitectura de IoT. Habitualmente están basados en estándares y encapsulan patrones de diseño y mejores prácticas. Adoptar una arquitectura de referencia y luego seleccionar plataformas de IoT, que la implementen siguiendo las directrices que se describen en la arquitectura de referencia, es una estrategia confiable para mantener la interoperabilidad dentro de su arquitectura de IoT.

Siga las arquitecturas de referencia

Actualmente, hay muchas iniciativas que trabajan para estandarizar las arquitecturas de IoT para mejorar la interoperabilidad. Los proveedores de plataformas de IoT y los asociados de investigación colaboran a través de estas iniciativas para definir arquitecturas de referencia de IoT. Las arquitecturas de referencia actúan como cimientos arquitectónicos, describiendo los bloques de construcción de alto nivel que se utilizan dentro de las soluciones de IoT y estableciendo una terminología compartida para los principales conceptos arquitectónicos. Estas iniciativas aprovechan una amplia variedad de soluciones existentes para destacar patrones de diseños efectivos y mejores prácticas.

Algunas arquitecturas de referencia de IoT con extensas referencias incluyen:

Para desarrollar soluciones de IoT se pueden utilizar arquitecturas de referencia como plantillas. Las arquitecturas enumeradas anteriormente describen los componentes de la arquitectura de IoT y sus funciones en términos de alto nivel, pero se pueden concretar aún más correlacionando requisitos abstractos con tecnologías específicas o con pilas tecnológicas.

Componentes de una Arquitectura de Referencia de IoT

Los detalles de las arquitecturas de referencia difieren dependiendo del dominio de la aplicación; sin embargo, la mayor parte de las arquitecturas de referencia de IoT describen al menos las siguientes capacidades:

  • Gestionar dispositivos y sus datos
  • Conectividad y comunicación
  • Analítica y aplicaciones

Además, las arquitecturas de referencia también suelen describir mecanismos para atender requisitos no funcionales, como la flexibilidad, la confiabilidad, la calidad de servicio, interoperabilidad e integración.

Gestionar dispositivos y sus datos

El aspecto de la gestión de dispositivos de una arquitectura de referencia afecta la gestión de dispositivos, sus identidades y sus ciclos de vida. Las arquitecturas de referencia describen:

  • La incorporación del dispositivo
  • La actualización del firmware del dispositivo
  • La aplicación de configuraciones nuevas
  • El desencadenamiento de operaciones remotas, como la desactivación, la activación o el desmantelamiento de dispositivos

Conectividad y comunicación

La gestión de la conectividad y de la comunicación bidireccional entre los dispositivos, entre dispositivos y gateways, y entre gateways y servicios en la nube y aplicaciones es otra de las principales capacidades que a menudo se describen dentro de las arquitecturas de referencia de IoT. Las arquitecturas basadas en eventos son una buena elección para edge computing, ya que la comunicación entre dispositivos y servicios utiliza protocolos de comunicación/suscripción e intermediarios de mensajes.

Analítica y aplicaciones

Para derivar valor de los datos que provienen desde los dispositivos de IoT, las aplicaciones en la nube brindan herramientas de visualización y analítica que operan sobre fuentes o lotes de datos para identificar conocimientos adicionales. Dependiendo de caso de uso, las herramientas de gestión de decisiones y de procesos empresariales pueden desencadenar alertas o realizar acciones como respuesta.

Arquitecturas de Referencia Concretas

Los patrones y las directrices que normalmente brindan una arquitectura de referencia se pueden extraer desde un dominio de IoT específico, como el IoT Industrial, o se pueden generalizar desde soluciones de variedad de dominios. Arquitecturas generalizadas de alto nivel se pueden utilizar como plantillas para crear arquitecturas específicas a dominios más concretos o específicos a plataformas.

Los proveedores de plataformas de IoT de uso general a menudo brindan las arquitecturas de referencia más aplicadas junto con las directrices de implementación para desarrollar soluciones de IoT que se ajustan a sus arquitecturas de referencia utilizando las herramientas y los agentes de software que la plataforma brinda. Algunas arquitecturas de referencia de IoT centradas en las plataformas son:

La arquitectura de referencia IBM Industrie 4.0 es un ejemplo de arquitectura de referencia específica al dominio y que está diseñada para aplicaciones de IoT industriales basándose en la arquitectura de referencia de IIRA y en la Arquitectura de Referencia de IoT de IBM.

Conclusión

Diseñar soluciones de IoT basadas en los datos es complejo debido a la escala y a la heterogeneidad de los dispositivos y de la conectividad implicada. En este artículo he destacado algunas estrategias para diseñar arquitecturas de IoT seguras, escalables y flexibles.


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