Protocolos para Internet das Coisas ; 2.4 GHz O Nome vem de um Rei Viking do seculo X chamado Harald Blatand (A.K.A., Bluetooth) Protocolos: Bluetooh Especifcação Inicial Bolha de

http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf

Protocolos paraInternet das Coisas

João Bosco Teixeira [email protected]

> www.boscojr.com/iot/

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Roteiro

Introdução

Arquitetura para IoT

Protocolo IP vs IoT

Padrões: 6loWPAN e IEEE 802.15.4

Protocolos Infra vs Aplicação

Wired vs Wireless

Protocolos de Aplicação

Protocolos de Rede

Questões de Segurança


Introdução

Um Protocolo é um conjunto de regras que organizam a comunicação;

O sucesso de um produto de IoT depende da adequada escolha dos protocolos e tecnologias usados no projeto;

Muito protocolos de Internet tem sido usado em IoT, alguns na integra e outros com modifcações.

Dependendo da aplicação IoT o protocolo tem uma série de restrições para ser executado. Energia e Processamento são as principais.


Protocolos

Conceito

Conjunto de Regras que regulamentam a comunicação entre as partes

Camadas

Protocolos da rede dispositivos

Protocolos de Aplicação

Restrições para uso em Iot

Consumo de Energia

Uso de Banda

Processamento


Arquitetura para IoT


Protocolos: Redes de Sensores e Atuadores

Sentido da Comunicação

Dispositivo → Gateway (Destino Nuvem?)

(Origem Nuvem?) Gateway → Dispositivo

Dispositivo → Dispositivo

Fonte:https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2017/oct/comparing-low-power-wireless-technologies


O Protocolo Padrão da Internet (IP) pode ser aplicado em IoT?


IP e Padrões para IoT

IPv4 “Num Guenta” :(

IPv6 “Guentar, guenta!” Mas e o hardware?

Headers Grandes Exigem Grandes quantidades de energia para transferir a informação.

Exige certa capacidade de Processamento

“Maus” para Dispositivos:

Contrained Devices

Alimentados por bateria

Pouco poder de processamento

Solução: 6loWPAN


6loWPAN

IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network

Desenvolvido pelo IETF (aquele das RFCs!) entre 2005 e 2007.

Estabelecido na RFC4944


6loWPAN

Cria uma adaptação (compressão) para permitir o IPV6 executar em cima de uma especifcação de enlance, para Constrained Devices conhecida como 802.15.4.


6loWPAN


6loWPAN para IP/IPv6


Compressão 6loWPAN

https://training.ti.com/6lowpan-based-wireless-network-protocols-6lowpan


IEEE 802.15.4

Padrão estabelecido pelo IEEE para uso em redes sem fo pessoais com dispositivo de baixa potencia

Também conhecido como LR-WPAN (low rate wireless personal area network)

Padrões de Rede do IEEE

EEE 802.3 - Ethernet;

IEEE 802.11- Redes locais sem fos (WLAN);

IEEE 802.15- Redes de área pessoal sem fos (WPAN).


Padrões de Rede do IEEE

https://www.embarcados.com.br/padrao-ieee-802-15-4/


IEEE 802.15.4

Essa norma estabelece as especifcações de comunicação da camada física (PHY) e da camada de acesso ao meio (MAC ou Media Access Control) para redes em fo que operam com baixas taxas de transmissão de dados;


IEEE 802.15.4Camada Física - PHY

Transmissão e recepção de dados digitais (PPDU);

Prepara o de/para a camada MAC;

Seleção o canal a ser utilizado;

Possibilidade de endereçamento automático dos dispositivos;

Pode Ligar e desligar o transceptor de rádio para economizar energia


IEEE 802.15.4PHY - Frequencias

Usa 3 bandas de Frequência não licenciadas

Existência de 3 bandas de frequências que estão embutidas em 27 canais;

Bandas ISM (Industrial Scientifc Medical) – Uso Livre

968 MHz (Europa),

915MHz (Estados Unidos/Américas)

2,4GHz (usualmente utilizada no Brasil).

Distribuição dos 27 Canais:

1 canal para a banda de frequência da Europa;

10 canais para a banda de frequência dos Estados Unidos/Américas;

16 canais para a banda de frequência da maior parte do mundo, incluindo Brasil.


IEEE 802.15.4PHY – Distribuições dos Canais


IEEE 802.15.4Camada MAC

Controla o Acesso a Camada Física

CSMA-CA

Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

Escuta o canal antes de Enviar

Gerar/sincronizar beacons.

Os beacons podem ser defnidos como pacotes de controle que delimitam quadros utilizados pelo coordenador para sincronizar com o demais dispositivos.


IEE 802.15.4Topologias

Dois tipo de Dispositivo

FFD (Full Feature Device) e

RFD (Reduce Feature Device);

RFDs não tem capacidade (Hardware) para Coordenar


Protocolos de Infra*

Usados na comunicação c/ sensores e atuadores

Protocolos para transmissão de dados entre nós

Protocolos de Infra *talvez essa não seja uma boa nomenclatura


Protocolos de InfraWired vs Wireless

Wired:

Ethernet*

CANBUS

RS485

I2C, SPI

UART

USB

Wireless

RFID/NFC

Bluetooth

Zigbee

WiFi

IrDa

“Nem só de Wireless vive o IOT”

Protocolos Wired estão fora do nosso escopo

Vamos ver os wireless


Protocolos de Infra

Topologias de Rede

(a) Broadcast: Uma mensagem é enviada de um transmissor para todos os receptores no alcance. Não existe reconhecimento na recepção. A comunicação é unidirecional.

(b) Peer-to-peer: Dois transceptores estabelecem uma comunicação bidirecional. O reconhecimento de recepção e dados podem ser implementados em duas direções.

(c) Star: Um transceptor central se comunica com diversos transceptores periféricos através de um canal bidirecional. O tranceptores periféricos não se comunicam entre si.

(d) Scanning: Um dispositivo central, trabalhando em modo receptor, aguarda o sinal de algum transmissor, a comunicação é unidirecional.

(e) Mesh: Uma mensagem é transmitida de um nó a outro na rede, saltando através de outros nós intermediários.



Protocolos de Infra

Topologias de Rede



Protocolos de Infra

Topologia vs Protocolos

B (Bluetooth low energy), A (ANT), A+ (ANT+), Zi (ZigBee), RF (RF4CE), Wi (Wi-Fi), Ni (Nike+), Ir (IrDA), NF (NFC)

1) Continuous receive mode must be activated for nodes listening for broadcast signals.

2) All network traffic stops and power consumption is high.



Protocolos de InfraWireless

Bluetooth (100m)

ANT/ANT+ (30m)

ZigBee (100m)

RF4CE

Wi-Fi

IrDA (10cm)

RFID/NFC(10cm)


Protocolos: Bluetooth

Bluetooth é uma especifcação para transferência de dados e voz em curta distancia;

Criado em 1994 pela Ericson em mantido hoje pela BSIG (Bluetooth Special Interest Group);

Ericson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba

Pode trabalhar Ponto a Ponto ou Ponto a Multiponto ;

2.4 GHz

O Nome vem de um Rei Viking do seculo X chamado Harald Blatand (A.K.A., Bluetooth)


Protocolos: Bluetooh

Especifcação Inicial

Bolha de 10 metros

Até 1Mbps

Até 8 dispostivos em uma Piconet

Máximo de 10 Piconets em uma Scatternet

Autenticação de Chave publica 128 bits

cifragem em 64 bits

Frequency Hopping


Protocolos: BluetoothFrequency Hopping

79 frequencias em 2.4GHz

1600 Saltos por segundo


Protocolos BluetoothArranjos de Rede: Piconet

Master:

Sincroniza os nós para o frequency Hopping

Todos os dispositivos em uma piconet mudam de frequência ao mesmo tempo


Protocolos: BluetoothArranjos de Rede: Piconet

M = Master

S = Slave

P = Parked

Está inativo, mas na piconet

SB = Stand By

Não está na piconet


Protocolos BluetoothEstados do Dispositivo







Protocolos: BluetoohCorreção de Erros e Segurança

Correção de Erros

Forward Error Correction (FEC)

Automatic Repeat Request (ARQ)

Segurança

pseudo-random frequency band hops

Autenticação

Criptografa


Protocolos: BluetoohModelos de Uso

Voice Link:

Síncrono e Orientado a conexão

Ponto a Ponto, 64kbps, Duplex

Data Link

Assíncrono e Não orientado a conexão

Ponto para Multiponto, 433.9 kbit/s Simétrico e 732.2/57.6 kbps Assimétrico;


Protocolos: BluetoothCabeçalhos


Protocolos: BluetoothBluetooth 4.0

Bluetooth Smart ou BLE (Bluetooth Low Energy)

Projetado para ubiquidade e parvasividade (IoT)


Protocolos: BluetoothiBeacons

Beacons (Relembrando): Os beacons podem ser defnidos como pacotes de controle que delimitam quadros utilizados pelo coordenador para sincronizar com o demais dispositivos.

iBeacons (Apple,2013) Utilizam os beacons para gerar notifcações para smartphones.

https://www.youtube.com/watch?v=lwnmx-5mBLM

https://www.youtube.com/watch?v=ROx6WBxIgoM

https://www.youtube.com/watch?v=lwnmx-5mBLM

https://www.youtube.com/watch?v=ROx6WBxIgoM


Protocolos: BluetoothComparativo


Protocolos: BluetoothComparativo


Protocolos: BluetoothReferencias

1. The ofcial Bluetooth site, http:/www.bluetooth.com

2. http://www.intel.com/mobile/bluetooth

3. Bluetooth 5: a concrete step forward towards

the IoT, https://arxiv.org/pdf/1711.00257.pdf

4. https://www.slideshare.net/NaveenKumar11/wif-technology-30347173?next_slideshow=1

https://www.slideshare.net/deepak0014/bluetooth-technology-54674468


LAB 1: Bluetooth

>> www.boscojr.com/iot/labbluetooth.pdf


Protocolos: ZigBee

Fonte: https://www.futurelearn.com/courses/data-explosion/0/steps/29736

Conjunto de especifcações para a comunicação sem-fo entre dispositivos eletrônicos com enfase em:

baixa potência de operação;

baixa taxa de transmissão de dados e

baixo custo de implantação.

Implementa camadas acima do IEEE 802.15.4

Objetivo é conectar pequenos dispositivos de coleta de dados (sensores) e controle (atuadores) usando sinais de radiofrequência de livre uso.


Protocolos: ZigBee


Protocolos: ZigBee

100 metros em campo aberto

Pode alcançar distâncias maiores usando o modo malha (mesh)

Criptografa simétrica de 128bits

250kbits/s

Topologia: Ponto-a-Ponto, Estrela e Malha

Um nó pode ser: Coordenador, Roteador, Fim


Protocolos: ZigBee


Protocolos: RFID

Schumacher na sala de telemetria da Ferrari

Internet das coisas pressupõe objetos conectados

Objetos conectados precisam usar endereços ou identifcadores.

O Auto ID Center responsável por evoluir o RFID de 1999 a 2003 foi o primeiro a pensar em identifcar cada objeto no mundo.

RFID é a maneira mais barata de conectar objetos


Protocolos: RFIDHistórico

Telemetria na agricultura

Radares x RFID (amigo ou inimigo?)

IFF: Identify Friend or Foe (ingleses)

Sistema transportado nas aeronaves inglesas, começavam a transmitir informações assim que recebessem o sinal de radar.

1974: Patentes

Mario W Cardullo em 1974 Patente por uma tag ativa com memória regravável

Charles Walton: Transponder passivo usado para destravar uma porta

1990: IBM RFID em UHF (6 metros)

Testes com o wallmart – não chegou a vender

Vendeu a patente


Protocolos: RFIDHistórico

Telemetria na agricultura

1999: Procter & Gamble, Gillette e MIT

Fundaram o Auto ID Center

EPC: Eletronic Product Code

Identifcação para cada objeto físico no mundo

Conseguiu melhorar a visibilidade

2004: EPCGlobal

Padronizar e incentivar o uso da tecnologia

Nokia, Philips e Sony fundam o Near Field Communication (NFC) Forum

2006: Nokia 6131

Primeiro telefone com NFC

2014: Apple pay:

sistema de pagamentos da apple com NFC


Protocolos: RFIDEPC – Eletronic Product Code

Código eletrônico de produto

Projetado para fornecer um código único para cada objeto no planeta

Sua estrutura é defnida no EPCglobal Tag Data Standard (v1.9 – 07/2014)

Representação canônica

URI (pure-identity URI) + SERIAL

Utilizado nas trocas de informação entre sistemas de informação empresariais.


Protocolos: RFIDEPC – Eletronic Product Code


Protocolos: RFIDFuncionamento

Elemento leitor envia uma onda eletromagnética

Uma antena no transponder (tag) percebe a onda e a transforma em energia que ativará por alguns instantes o circuito eletrônico embarcado na TAG.

A tag envia o seu código.

Tags podem receber códigos para armazenar.


Protocolos: RFIDFuncionamento


Protocolos: RFIDArquitetura de Aplicações

Uma aplicação típica de RFID possui:

Tag

Antena

Leitor

Aplicação


Protocolos: RFIDArquitetura de Aplicações

Smart Border Alliance - RFID Feasibility Study Final Reporthttps://www.dhs.gov/xlibrary/assets/foia/US-VISIT_RFIDattachD.pdf


Protocolos: RFIDTags


Protocolos: RFIDTags: Segurança

Riscos e Ameaças

Violação de integridade física

A TAG pode ser trocada de lugar

Cópia da Etiqueta

Monitoramento da Etiqueta

Soluções

Criptografa evita acesso aos dados roubados.

Códigos secundários.

Uso de dispositivos metálicos para evitar a leitura quando esta não estiver em uso.


Protocolos: RFIDTipos de Tags

Ativo (Mais de 100m)

Possui bateria própriaTransponder: Ativa quando recebe o sinalBeacon (farol): Envia sinal de tempos em tempos

Passivo (Até 10m)Não tem bateria. Usa da energia da onda eletromagnética enviada pelo leitor

Passivo assistido por bateria (até 100m)Também chamado de semi-passivo. É ativado pela onda do leitor mas possui bateria própria para execução de operações mais complexas

http://www.impinj.com/resources/about-rfid/the-different-types-of-rfid-systems/


Protocolos: RFIDTags: Aspectos Operacionais

Presença de Metal: Tags simples tem o seu alcance reduzido quando próxima a metais. Existem tags específcas para metais

Durabilidade: Alguns objetos podem ter o regime de uso muito rigoroso. A tag acoplada deve ser compatível com esse regime. Ex.: Bens patrimoniais x Produtos em uma loja

Forma de Fixação: adesivo x arrebites

Área imprimível: Possibilidade de personalizar a tag


Protocolos: RFIDAntenas: Características

Tipo (Padrão de Radiação):

Painel, Omni direcional, Portal de Antenas

Frequência

125 Khz, 13.56 MHZ, 433Mhz, 900-950Mhz

Potencia em Dbi: determina o alcance

Polarização: Vertical, Horizontal, Circular

Impedância

Conectorização

Indoor x Outdoor


Protocolos: RFIDLeitores + Antenas

Portal

Leitor de Mão

Kits de Desenvolvimento

Fonte:http://www.impinj.com/resources/about-rfid/


Protocolos: RFIDAplicações

Cadeia de Suprimentos

Segurança – Controle de Acesso

Identifcação Animal

Veículos

Esporte (Telemetria)

Bagagens

Conforto e Pagamento (NFC)


Protocolos: RFIDAplicações telemetria


NFC

Near Field Communication

Permite a troca de informações entre dispositivos próximos;

NFC fórum desde 2004: Promove o uso

Empresas participantes: Qualcomm, LG, Nokia, Huawei, HTC, Motorola, NEC, RIM, Samsung, Sony Ericsson, Toshiba, AT&T, Sprint, Google, Microsoft, PayPal, Visa, Mastercard, American Express e Intel


NFC

Frequência 13.56 MHz

Taxa de Transferência 424 kbits/s

Distância 10cm


Dispositivo NFCModos de Operação

Card Emulation ModeNeste modo o dispositivo atua com uma tag, permitindo usuários realizarem operações diversas como controle de acesso ou pagamentos

Reader/Writer modePermite o dispositivo trabalhar como um leitor de RFID convencional, podendo ler e escrever conteúdos em tags compatíveis

Peer-to-Peer modePermite a troca de informações entre dois dispositivo NFC compatíveis


Protocolos e Padrões


NFC - Usos

Comercio Eletrônico

Pagamentos ou ticket eletrônico

Social

Transferência de contatos

Controle de Acesso

Automação

Jogos


NFC: Exemplo de USO

Carro Escritório QuartoCasa

Carro:- Ligar o bluetooth- Desligar WIFI- Ligar o 3G- Ativa o GPS- Ligar o Waze


NFC: Exemplo de USO


Escritório:- Desligar o bluetooth- Ligar o WIFI- Desativar o 3G- Desligar o GPS- Fazer check no foursquare


NFC: Exemplo de USO


Casa:- Desligar o bluetooth- Ligar o WIFI- Conectar a Rede XYZ- Desativar o 3G- Desligar o GPS


NFC: Exemplo de USO


Quarto:- Por no modo silencioso- Abrir aplicação despertador


NFC vs Bluetooth


Protocolos RFIDTecnologias x Padrões

Tipos de PadrõesTecnológicosDadosConformidadeAplicação

Curta distânciaLF: 125khzHF: 13,56 Mhz

Longa distancia

UHF: 900-950MhzFonte:http://www.impinj.com/resources/about-rfid/


Protocolos RFID Frequencias x Aplicações

https://www.dhs.gov/xlibrary/assets/foia/US-VISIT_RFIDattachD.pdf


Mercado: Produtos

Sigfox

Vivo (450 MHz)


Protocolos: Aplicação

Sentido da Comunicação

Gateway → Nuvem

Nuvem → Gateway



Protocolos: Aplicação

Protocolos

HTTP

MQTT

Formatos de Dados

JSON

XML



OBRIGADO!

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