El Internet de las cosas (IoT), el intercambio de datos entre sensores, dispositivos, pasarelas, servidores y aplicaciones de usuario es posible gracias a protocolos de red como WiFi, Bluetooth, ZigBee y muchos otros. Los requisitos de alcance, datos, seguridad, potencia y durabilidad de la batería de las aplicaciones dictan la selección del protocolo de red. Este artículo explora algunos de estos protocolos y tecnologías de comunicación.

Ecosistema del IoT

Un ecosistema del IoT está compuesto típicamente por capas de nodos, datos, conectividad y aplicación. La capa de nodos es una coalición de dispositivos inteligentes, como microcontroladores, microprocesadores, sensores, actuadores, conectividad y pasarelas que interactúan con una red.

La capa de datos se dedica a la recolección, el procesamiento, el envío, el almacenamiento, el análisis, la presentación y el uso de los datos en contextos de negocios. La capa de aplicación o usuario es el componente que permite a los humanos interactuar con los dispositivos del IoT. Hablaremos sobre la capa de conectividad que está compuesta por los protocolos del IoT y de comunicaciones. Para más información sobre los productos del IoT, haga clic aquí.

Red de protocolos en un ecosistema del IoT
Figura 1: Red de protocolos en un ecosistema del IoT

Tipos de protocolos del IoT

La índole adaptable y fiable inherente al protocolo de internet (IP) lo convierte en un medio aceptable para la transmisión procesal entre módulos del IoT. La arquitectura del sistema (por entre la que deben viajar los datos) determina el tipo del protocolo del IoT. El modelo de interconexión de sistemas abierta (OSI) ofrece un mapa de las diferentes capas que despachan y aceptan datos. Cada protocolo en la arquitectura del sistema del IoT hace posible las comunicaciones entre dispositivos, de dispositivo a pasarela, de pasarela a centro de datos, de pasarela a nube y entre centros de datos. La figura 2 muestra la pila del protocolo del IoT.

Pila del protocolo del IoT
Figura 2: Pila del protocolo del IoT

Los siguientes son algunos de los protocolos del IoT claves empleados en las diferentes capas de la red del IoT

Advanced Message Queuing Protocol (AMQP)

AMQP es un protocolo de capa de aplicación (software) que ofrece enrutamiento y encolamiento para un entorno de middleware orientado a los mensajes. Se usa para conexiones fiables de punto a punto y admite el intercambio de datos seguro y fluido entre los dispositivos y la nube. AMQP tiene tres componentes diferentes: intercambio, encolamiento de mensaje y vinculaciones, que garantizan el intercambio y almacenamiento exitoso y fiable de los mensajes. También denotan la relación entre dos mensajes. Para más información sobre el AMQP, haga clic aquí.

Constrained Application Protocol (CoAP)

CoAP es un protocolo de banda ancha y red acotadas para dispositivos limitados. Este protocolo permite al cliente enviar al servidor una solicitud, y el servidor devuelve una respuesta en HTTP al cliente. Usa el User Datagram Protocol (UDP) para implementación ligera y minimiza el uso del espacio. El protocolo emplea un formato de datos binario EXL. El protocolo CoAP se usa principalmente en automoción, microcontroladores y móviles. El protocolo despacha una solicitud al punto final de la aplicación del hogar y devuelve una respuesta de la aplicación a los servicios y recursos. Para más información sobre el CoAP, haga clic aquí.

Servicio de distribución de datos (DDS)

DDS es un protocolo de comunicación entre pares flexible. Lo hace todo: desde ejecutar dispositivos diminutos hasta conectar redes de alto rendimiento. DDS simplifica el despliegue, aumenta la fiabilidad y minimiza la complejidad.

Message Queue Telemetry Transport (MQTT)

MQTT, también conocido como protocolo publicación/suscripción, es el protocolo de mensajería ligera predilecto para los dispositivos del IoT. Reúne datos a partir de varios dispositivos y supervisa dispositivos remotos. Se ejecuta en Transmission Control Protocol (TCP) y admite el intercambio de mensajes en función de eventos mediante redes inalámbricas. MQTT se usa principalmente en dispositivos que requieren menos capacidad de memoria, por ejemplo sensores en los coches y relojes inteligentes. Para más información sobre el MQTT, haga clic aquí.

Protocolo de comunicaciones entre máquinas (M2M)

Se refiere a un protocolo industrial abierto creado para gestionar dispositivos del loT de forma remota. Estos protocolos rentables usan redes públicas. El M2M crea un entorno donde dos máquinas se comunican entre sí e intercambian datos. Ese protocolo impulsa las máquinas a automonitorearse y permite a los sistemas adaptarse según el entorno cambiante. Se usa principalmente en domótica, vehículos y cajeros automáticos. Para más información sobre la comunicación M2M, haga clic aquí.

Extensible Messaging and Presence Protocol (XMPP)

El XMPP tiene un diseño único. Fue desarrollado usando XML (Extensible Markup Language) abierto. Emplea un mecanismo de inserción para intercambiar mensajes síncronos. El XMPP flexible se puede integrar a la perfección sin ningún cambio. El XMPP funciona como un indicador de presencia. Muestra el estado de disponibilidad del servidor.

Además de WhatsApp, Google Talk y otras apps de mensajería instantánea, XMPP también es útil en los juegos online, el protocolo de voz por internet (VoIP) y los sitios web de noticias. Para más información sobre el XMPP, haga clic aquí.

Bluetooth

Bluetooth se usa ampliamente para comunicaciones de corto alcance y es el protocolo estándar del IoT para transmisión de datos inalámbricos. La versión de bajo consumo es Bluetooth Low Energy (BLE). La versión más reciente, Bluetooth 5.0, admite aplicaciones de baja velocidad de transmisión de datos y tiene un alcance ampliado a 150 metros. Las características como los servicios de ubicación y balizamiento han ayudado a desplegarlo en una gran variedad de aplicaciones de actividades físicas y automoción. Puede soportar la topología de estrella. Las versiones más recientes admiten topología de malla, estirando la red mediante el uso de redes entre muchos dispositivos, apta para aplicaciones de domótica.

Zigbee

ZigBee usa el estándar IEEE 802.15.4 de capa física y enlace, funciona en la banda ISM 2.4 GHz con un alcance de hasta 91,4 metros. Admite la topología de malla. Por consiguiente, la red se puede extender a una distancia mayor usando operaciones de salto múltiple. El protocolo tiene un gran nivel de interoperabilidad e incluye bibliotecas estándar de modelos de datos, seguridad y procedimientos de gestión de redes. ZigBee cuenta con bajo consumo, descubrimiento de nodos, detección de paquetes duplicados, descubrimiento de ruta, modo de reposo y fiabilidad. Se usa ampliamente en las aplicaciones de domótica y de automatización de construcción.

Z-Wave

Z-Wave es una tecnología inalámbrica de bajo consumo diseñada para aplicaciones de domótica del IoT. Ofrece comunicaciones fiables de baja latencia de paquetes de datos pequeños con velocidades de datos de hasta 100 kbit/s. Admite la topología de malla con un máximo de 232 nodos en una sola red. Funciona a 868 MHz en Europa y 915 MHz en Norteamérica y Australia, con una velocidad de datos de 100 Kbps. Para más información sobre Z-Wave, haga clic aquí.

6LowPAN

IPv6 Low-power Wireless Personal Area Network (6LowPAN) es una tecnología basada en el protocolo de internet. Se trata de un protocolo de red que define el encapsulado y los mecanismos de compresión del conector. Tiene la libertad de frecuencia de banda y capa física, y también se puede usar en diversas plataformas de comunicaciones, como Ethernet, WiFi, 802.15.4 e ISM sub-1GHz. Está diseñada para despachar paquetes IPv6 en redes basadas en IEEE802.15.4 e implementar muchos estándares IP abiertos, como TCP, zócalos web, UDP, HTTP, COAP y MQTT. El estándar ofrece nodos direccionables de extremo a extremo, permitiendo a un router enlazar la red a IP. La 6LowPAN es una red de malla autorreparable, escalable y resistente.

Thread

Thread se basa en varios estándares, como IEEE802.15.4, IPv6 y 6LoWPAN, y es un protocolo de redes IPv6 basado en IP dirigido al entorno de la domótica. Complementa principalmente a Wi-Fi y ofrece una solución resiliente basada en IP para el IoT. Thread refuerza una red de malla usando radiotransceptores IEEE802.15.4. Gestiona hasta 250 nodos con altos niveles de autenticación y cifrado.

WiFi

WiFi es un protocolo de comunicaciones inalámbricas. WiFi usa la topología de red de estrella, y el punto de acceso se puede usar como una pasarela a internet. Cada punto de acceso puede conectar con un máximo de 250 dispositivos, y la mayoría de las soluciones disponibles comercialmente soportan hasta 50 dispositivos. El 802.11-b/g/n funciona en 2,4 GHZ y ofrece una velocidad de datos de 150 a 200 Mbps para entornos de oficinas y hogares con un alcance típico de 50 metros. La norma 802.11-ac más reciente funciona en 5 GHz y ofrece una velocidad de datos de 500 Mbps a 1 Gbps.

Celular

Muchas de las aplicaciones del IoT usan las redes celulares ya existentes, como 3G, 4G LTE y 5G para comunicación de datos. El 3G usa 2100 MHz y ofrece una velocidad de datos de 384 Kbps a 10 Mbps, y el 4G LTE proporciona una velocidad de datos elevada de 3 Mbps a 10 Mbps a 2700 MHz. No son aptos para la mayoría de las aplicaciones del IoT debido a su alto consumo energético y grandes costes de implementación. Cat-M1 y NB-IOT se introdujeron en el 3rd Generation Partnership Project (3GPP) para la adopción en redes 4G LTE ya existentes para el IoT y las comunicaciones M2M. Con una mayor capacidad que cualquier red 4G, el 5G se está desarrollando para aumentar los usuarios del ancho de banda móvil y soportar la comunicación entre dispositivos. Para este fin, se aplican diferentes técnicas al 5G, como salidas y entradas múltiples masivas (MIMO), comunicación bidireccional completa, redes heterogéneas (HetNet), onda milimétrica (mmWave) y rebanado de redes. Los servicios de red 5G se pueden clasificar en tres categorías diferentes según la International Telecommunication Union (ITU): ancho de banda móvil mejorado (eMBB), comunicaciones entre máquinas masivas (mMTC) y comunicaciones muy fiables de baja latencia (uRLLC).

NFC

La comunicación de campo cercano (NFC) es un protocolo de comunicaciones de radio de alcance muy corto. Usa la norma ISO/IEC 18000-3 y la banda de frecuencia ISM de 13,56 MHz. Ofrece una velocidad de datos de 100 a 420 Kbps y un alcance de hasta 20 cm. Algunos dispositivos NFC pueden leer (conforme a ISO 15693) etiquetas RFID pasivas de alta frecuencia que también funcionan en 13,56 MHz. La NFC proporciona comunicaciones bidireccionales completas en todo el rango de detección desde sustratos metálicos y no metálicos. Se usa para aplicaciones de pago sin contacto, sincronización rápida y acceso a contenido digital.

Sigfox

Sigfox es un proveedor de red privado similar a los proveedores de servicios de telefonía o celulares, que se dedica a servir a los clientes del IoT. Usa las bandas ISM sub-GHz (868 a 869 MHz o 902 a 928 MHz) y admite largo alcance (hasta 50 km) usando la topología de estrella. Aunque las comunicaciones Sigfox son bidireccionales, la carga desde la estación base al nodo es insignificante. Se usa para detección remota en la que se deben transmitir esporádicamente bajas cantidades de datos que requieren gran durabilidad de las baterías. Para más información sobre Sigfox, haga clic aquí.

LoRaWAN

LoRaWAN es el protocolo de comunicaciones inalámbricas WAN de bajo consumo en el rango de frecuencia sub-GHz (433/ 868/ 915 MHz). Tiene una velocidad de datos de 0,3 a 50 Kbps y un alcance de hasta 15 km. La mayor distancia se logra reduciendo dinámicamente la velocidad de los datos. Está diseñado para ofrecer comunicaciones bidireccionales completas y seguras, económicas y de bajo consumo para aplicaciones del IoT, M2M, ciudades inteligentes e industriales. Para más información sobre LoRaWAN, haga clic aquí.

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