Appunti di Architectures And Technologies For IoT

Architectures and technologies for IoT 2022-2023

Indice

• 1 Introduzione 2
• 1.1 Panoramica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
• 1.2 Filosofia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
• 1.3 Componenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
• 1.4 Interazioni tra IoT ed uomo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
• 1.5 Potenziali applicazioni dell’IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
• 1.6 Architetture dell’IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
• 1.7 AIIoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
• 2 Livello applicativo dell’IoT 18
• 2.1 Architettura IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
• 2.2 Web of Things (Internet degli Oggetti) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
• 2.3 CoAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
• 2.4 CoSIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
• 2.5 MQTT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
• 2.6 AMQP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
• 2.7 DNMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
• 3 IoT computing 49
• 3.1 Cloud Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
• 3.1.1 Fog Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
• 3.2 Lambda Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
• 4 SDN/NFV per IoT 60
• 4.1 SDN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
• 4.2 NFV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
• 4.3 Integrazione di SDN ed NFV per IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
• 4.4 SDN/NFV nelle reti 5G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
• 4.5 NFV nelle reti 5G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
• 4.6 Network Slicing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
• 4.7 SDN nelle reti 5G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
• 4.8 MEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
• 5 Tecnologie abilitanti per IoT 95
• 5.1 WPAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
• 5.1.1 RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
• 5.1.2 BLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
• 5.2 LR-WPAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
• 5.2.1 IEEE 802.15.4 e ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
• iIndice 1
• 5.3 LoWPAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
• 5.3.1 6LoWPAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
• 5.3.2 RPL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
• 5.4 LPWAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
• 5.4.1 3GPP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
• 5.4.2 LoRa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
• 5.4.3 SigFOX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
• 5.4.4 5G IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
• 6 Sicurezza e privacy nell’IoT 162
• 6.1 IoT Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
• 6.2 IoT Privacy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

Capitolo 1

Introduzione

1.1 Panoramica

Internet of Things

Il termine (IoT) è stato coniato nel 1999 da Kevin Ashton ed è composto da 3 parole:

• Internet: sistema mondiale di reti interconnesse e basate su tecnologie comuni, al quale ogni rete o computer possono essere connessi stabilmente o attraverso collegamenti temporanei (ad esempio telefoni).
• Of: congiunzione che unisce il termine Internet con Things per indicare la collaborazione e l’aggregazione tra questi due termini.
• Things: indicano oggetti (come dispositivi, apparecchiature, impianti, macchine, edifici, persone, animali, piante, ecc…) intelligenti (smart) che possono comunicare dati ed accedere ad informazioni esterne (talvolta contenute in altri oggetti). Tali oggetti intelligenti (smart object) si contraddistinguono per alcune proprietà o funzionalità tra cui le più importanti sono identificazione, connessione, localizzazione, capacità di elaborare dati e capacità di interagire con l’ambiente esterno. In particolare con things si vuole indicare anything (ogni cosa) ed everything (tutte le cose).

L’obiettivo dell’IoT è quello di tracciare su Internet una mappa del mondo reale a partire dal mondo elettronico.

Con IoT quindi ci si riferisce al processo di connessione ad Internet di oggetti fisici di utilizzo quotidiano.

Fisicamente, l’IoT nasce dalle periferiche RFID (Radio Frequency Identification) alle quali è stato aggiunto Internet per rendere tali periferiche connesse.

Il concetto dei sistemi cyber-physical (sistema ibrido tra elementi fisici e sistemi informatici) è un concetto molto simile ad IoT. In particolare i sistemi cyber-physical (CPS) sono sistemi intelligenti (smart) che comprendono reti di componenti fisiche e computazionali che interagiscono. Questi sistemi interconnessi e integrati forniscono nuove funzionalità per migliorare la qualità della vita e consentire progressi tecnologici.

Un CPS generalmente include i concetti di rilevamento (sensing), computazione (computation) ed attuazione (actuation). Le CPS utilizzano le tecnologie informatiche tradizionali (Information Technology - IT), per il passaggio dei dati rilevati dai sensori al processo di computazione di tali dati, e le tecnologie operative tradizionali (Operational Technology - OT), per il controllo di tali informazioni e la loro attuazione.

CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 3

N.B: i termini CPS ed IoT si sovrappongono spesso e talvolta risultano anche essere intercambiabili.

Un sistema intelligente è un sistema che percepisce informazioni dall’ambiente e può autonomamente adattarsi alle situazioni necessarie.

Vediamo le principali definizioni che sono state assegnate al termine IoT:

• L’IoT è l’Internet of Everythings (internet di tutte le cose) che collega una grande quantità di oggetti ad internet, consentendo di ottenere un’esorbitante quantità di dati.
• L’IoT è un’infrastruttura globale (nel senso che è disponibile a tutti) che abilita servizi avanzati interconnettendo oggetti (fisici o virtuali) basandosi su tecnologie di comunicazione interoperabili esistenti e in evoluzione.
• L’IoT è una tecnologia basata sull’interconnessione tra oggetti di uso quotidiano e sulle applicazioni. L’IoT consente di creare un ecosistema di applicazioni e servizi intelligenti che migliorano e semplificano la vita dell’uomo.
• L’IoT è una rete di sensori ed attuatori connessi a sistemi informatici. Tali sistemi possono monitorare o gestire la salute e le azioni di oggetti e macchine connesse. I sensori connessi possono anche monitorare il mondo naturale, le persone e gli animali.
• L’IoT collega alla rete dispositivi come oggetti di consumo quotidiano ed apparecchiature industriali, consentendo la raccolta di informazioni e la gestione di tali dispositivi tramite software per aumentarne l’efficienza, abilitare nuovi servizi oppure ottenere altri benefici per la salute, per la sicurezza o per l’ambiente.
• L’IoT è uno scenario in cui la connettività della rete e la capacità di calcolo si estendono agli oggetti, ai sensori e alle cose di uso quotidiano che non vengono normalmente considerate computer (ovvero gli oggetti senza un display), permettendo a tali oggetti di generare, scambiare e utilizzare dati senza l’intervento umano (o con un intervento minimo).
• L’IoT è costituito da dispositivi che sono progettati per essere integrati in internet, laddove un dispositivo in precedenza non poteva essere connesso a Internet (ad esempio un sensore di temperatura), e sono fabbricati rapidamente, configurati in modo omogeneo e distribuiti attraverso l’internet.

N.B: In ogni caso non esiste una definizione singola e universale.

S-E-N-S-E

L’acronimo indica una serie di termini che definiscono la distinzione tra l’IoT ed il normale internet:

• Sensing: l’IoT utilizza dei sensori (Client) per generare dati contestuali.
• Efficient: il sistema IoT risulta essere più efficiente in termini di produttività perché aggiunge un’intelligenza alle cose.
• Networked: l’IoT crea una rete di dispositivi (detti oggetti).
• Specialized: gli oggetti sono specializzati sul dominio in cui operano.

CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 4

• Everywhere: l’IoT può essere distribuito ovunque.

N.B: i sensori sono una delle cinque primitive di sistema che formano gli elementi di base per una Network of Things (NoT).

L’IoT, nella sua forma più semplice, può essere considerato come l’intersezione tra Internet, Things e Data (figura 1.1a).

Una definizione più complessa include anche gli standard ed i processi (figura 1.1b).

(b)

(a)

L’idea è quella di permettere agli oggetti di essere connessi su internet per scambiare dati utilizzando standard industriali che garantiscano l’interoperabilità e consentendo processi utili ed automatizzati.

Possiamo quindi distinguere due domini complementari ad IoT:

• Internet of People (IoP): connessione di applicazioni utilizzate e controllate dalle persone (ad esempio tramite interfacce).
• Internet of Everything (IoE) a cui si associano 4 componenti chiave collegate tra loro:
  • People: permettere alle persone di interagire con l’oggetto.
  • Data: convertire dati in intelligenze per prendere decisioni migliori.
  • Process: inviare le informazioni corrette alla persona o alla macchina corretta nel giusto momento.
  • Things: dispositivi e oggetti fisici connessi ad Internet e tra loro per prendere decisioni intelligenti.

Possiamo quindi riassumere le definizioni date al termine IoT nel seguente modo: l’IoT è una rete di oggetti che presuppone un’identificazione dei dispositivi che ne prendono parte, con un’intelligenza incorporata, dei sensori e delle capacità di attuazione, connettendo persone e cose attraverso internet.

N.B: risulta più corretto dire Internet delle cose (o dei dispositivi) rispetto ad Internet degli oggetti.

Storicamente l’IoT rappresenta la terza ondata di Internet dopo quella di Internet fisso (anni 90) e quella di Internet mobile (anni 2000). Attualmente ci troviamo in una fase iniziale dello sviluppo dell’IoT, perciò ancora non c’è niente di definito.

Le potenziali capacità dell’IoT potrebbero essere:

CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 5

• Connettere tutti gli oggetti ad Internet e farli comunicare tra loro per operare intelligentemente.
• Rilevare in modo efficiente l’ambiente circostante, comunicare in modo economico e creare un ambiente migliore.
• Rilevare automaticamente e analizzare tempestivamente migliaia di parametri relativi al servizio o al prodotto, per poi intervenire in modo automatico prima che il funzionamento del prodotto o l’esperienza di servizio vengano compromessi.
• Raccogliere ed analizzare una massiva quantità di dati provenienti da varie fonti interne o esterne.

Gli obiettivi dell’IoT sono il monitoraggio ed il controllo dell’ambiente da qualunque parte del mondo (anywhere), attraverso gli oggetti. Per ottenere un sistema di questo tipo, è necessario che ogni dispositivi IoT soddisfi i seguenti requisiti:

• Deve possedere un’identità unica (ovvero un identificativo univoco), come l’indirizzo IP.
• Deve avere la capacità di acquisire informazioni (dati) specifiche sull’ambiente (attraverso i sensori).
• Deve avere la capacità di comunicare con gli altri oggetti (ad esempio comunicazione wireless), in modo da creare delle vere e proprie reti di dispositivi.
• Deve possedere un’insieme di protocolli che definiscono le modalità di comunicazione tra i dispositivi.

Possiamo quindi rappresentare il design della tecnologia IoT come costituito da due blocchi (edge device (dispositivo di bordo) ed operations center (centro operativo)) che comunicano (ad esempio con una comunicazione wireless). Nel primo blocco sono contenuti sensori, che inviano dati al centro operativo, ed attuatori, che ricevono istruzioni da eseguire dal centro operativo. Nel secondo blocco quindi si raccolgono i dati dai sensori e si elaborano per inviare le istruzioni agli attuatori. Il centro operativo può essere associato ad un’interfaccia per essere esposto all’utilizzo umano.

CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 6

1.2 Filosofia

Esistono due aspetti principali basati sulla filosofia dell’ IoT:

• Indagine critica del concetto di natura e dei principi fondamentali dell’informazione, comprese le suo dinamiche, il suo utilizzo e le sue scienze.
• Elaborazione ed applicazione di metodologie informatiche e computazionali ai problemi filosofici.

Il transumanesimo è un movimento culturale che afferma il desiderio di migliorare i limiti della condizione umana sviluppando e rendendo disponibili tecnologie sofisticate che possono aumentare la longevità e le capacità intellettuali, fisiche e psicologiche. Tale movimento ripiega un’illimitata fiducia sulla tecnologia.

Si deve quindi effettuare uno studio più approfondito sulle questioni etiche legate allo sviluppo ed all’utilizzo di tali tecnologie.

La fiducia nella tecnologia IoT si costruisce rispondendo ad alcune domande filosofiche:

• Ontologia (“cos’è l’IoT?”).
• Fenomenologia (“come sperimentiamo l’IoT?”).
• Epistemologia (“come conosciamo l’IoT?”).
• Logica (“come motiviamo l’IoT?”).
• Etiche digitali (“come dovremmo progettare ed attuare l’IoT?”).

1.3 Componenti

Le componenti fisiche del network delle cose (NoT) sono:

• Identificatori, per identificare la fonte dei dati.
• Software, per analizzare i dati.
• Sensori, per raccogliere informazioni.
• Connettività ad internet, per consentire la comunicazione e le notifiche.

CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 7

Perciò l’IoT è il network delle cose (NoT) a cui si integra un’identificazione dei dispositivi, un’intelligenza software, dei sensori ed una una connettività ad Internet ubiqua. In questo modo ogni cosa è identificabile in modo univoco ed è in grado di interoperare con l’infrastruttura Internet esistente.

Riassumiamo le caratteristiche che dovrebbe avere un dispositivo ideale:

• Deve possedere un’identificativo univoco.
• Deve avere incorporata un’intelligenza software.
• Deve acquisire campioni attraverso dei sensori.
• Deve avere la capacità di connettersi in maniera ubiqua (cioè indipendente dalla posizione geografica e dal tempo) in internet.

L’IoT connette fisicamente le cose (ad esempio sensori, dispositivi, macchine, persone, animali ed alberi) ed i processi attraverso Internet per garantire funzionalità di monitoraggio e di controllo.

Analizziamo le componenti hardware che caratterizzano un dispositivo intelligente (smart object):

• Modulo di comunicazione, tramite un ricetrasmettitore radio con antenna o con una connessione cavo.
• Microcontrollore, piccolo microprocessore che esegue il software di un oggetto. Questo è costituito da:
  • Memoria, per contenere il codice (ovvero il software) da eseguire sul dispositivo e le informazioni che questo necessita. Solitamente si integrano due tipi di memorie:
    • ROM (Read-Only Memory), tipicamente incorporata al dispositivo quando viene fabbricato, per memorizzare il programma che codifica il comportamento del dispositivo. Nei microcontrollori moderni è previsto un meccanismo per riscrivere la ROM.
    • RAM (Random Access Memory), per memorizzare i dati temporanei necessari al software per eseguire i processi.
  • Timer, per temporizzare il comportamento del dispositivo e gestirne il consumo. Può essere utilizzato per evitare che un dispositivo si blocchi (ad esempio se si verifica il caso in cui un dispositivo resta in ascolto per un tempo indeterminato allora questo viene automaticamente ripristinato allo scadere del timer).
  • Meccanismi per interfacciarsi con dispositivi esterni (ovvero dispositivi di comunicazione, sensori ed attuatori) i quali sono connessi al microcontrollore tramite i suoi pin. Il software comunica con i dispositivi esterni attraverso porte seriali (USART) e bus seriali (SPI).
• Sensori ed attuatori, per interagire con il mondo fisico ed acquisire informazioni.
• Fonti di alimentazione (come batterie, piccole celle solari, ecc…), per alimentare i circuiti elettrici.

CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 8

Possiamo distinguere tre diverse classi su cui possiamo classificare i dispositivi a seconda di come è organizzato l’hardware:

• Classe 0: riguarda i dispositivi che hanno forti vincoli sui componenti (ad esempio hanno poca batteria e memorie limitate). Questi dispositivi hanno capacità di memoria e di elaborazione che limitano le comunicazioni dirette con Internet in