SESES-ARA0058-CIOT_I4_2021-2_Aula_02-Padronizacao_ProtocolosIoT

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Prof. Omar Sacilotto Donaires
Aula 02
Padronização e principais 
protocolos de rede de IoT
Ciências da Computação
Aplicação de Cloud, IOT e Indústria 4.0 em Python
ARA0058
Padronização e principais 
protocolos de rede de IoT
• Esforços de padronização da IoT
• Principais protocolos usados para estabelecer 
conectividade em uma rede de IoT
Objetivos
Saber o quê Saber como Saber porque
Reconhecer os esforços 
de padronização da IoT.
Através da apresentação 
dos esforços de 
padronização, alguns 
ainda em andamento
Para acompanhar a 
evolução dos padrões e 
da tecnologia de IoT
Reconhecer os principais 
protocolos usados para o
estabelecimento da 
conectividade em uma 
rede de IoT.
Descrevendo cada 
protocolo em termos das 
suas características 
básicas
Para fazermos escolhas 
mais adequadas quando 
vamos montar um projeto 
de IoT.
Situação-problema
• Crescimento vertiginoso do 
mercado de IoT nos últimos anos.
• Diversos fabricantes de hardware, 
software e plataformas de IoT→
uma miríade de soluções 
proprietárias.
• Não houve esforços para a criação 
de interoperabilidade.
→Mercado fechado
• Conveniente para os fabricantes
• Barreira tecnológica e de custo 
• Força o cliente a continuar 
comprando seus produtos e serviços.
• Desvantajoso para a comunidade
• Retarda a evolução e a adoção de 
tecnologias.
Google, Apple, Amazon Joint IoT Standard
https://www.youtube.com/watch?v=nanNxvqud3w
https://www.youtube.com/watch?v=nanNxvqud3w
Situação-problema
Como colocar 
ordem nesse caos 
mercadológico?
Esforços de 
padronização da IoT
Mercado aberto de IoT
Esforços para estabelecer 
consensos tecnológicos
e padrões
interoperáveis.
Baseado em 
padrões da indústria
Consórcios formados para propor 
padronizações para IoT
• oneM2M Consortium
• 227 participantes: AT&T, China Mobil, Vodafone...
• Camada M2M (machine to machine)
• OCF (Open Connectivity Foundation)
• > 300 membros: Microsoft, Samsung, LG e Electrolux...
• Interoperabilidade entre dispositivos novos e antigos,
• IEEE P2413 Working Group
• Grupo de estudos formado por especialistas do IEEE.
• Framework padrão para a arquitetura de IoT.
• IIC (Industrial Internet Consortium)
• 258 empresas: DELL, Huawei, GE ...
• Acelerar a adoção e a difusão das melhores práticas.
• IETF (Internet Engineering Task Force)
• Revisar tecnologias para equipamentos de baixo 
consumo de energia (6LoWPAN) em diversas áreas.
Thingstore
• Possível solução padrão para IoT.
• Implementa o conceito de serviço inteligente
• O desenvolvimento de sistemas de software complexos para IoT –
tanto embarcados quanto na nuvem – fica a cargo de especialistas.
• Uma empresa especializada carrega o software em uma loja virtual
chamada de ThingStore.
• Uma empresa que maneja things pode assinar ou comprar o serviço 
e carrega-lo em sua nuvem para que seus dispositivos o utilizem.
• Consequências
• Dispositivos genéricos → projetados para enviar telemetria na 
forma de dados brutos segundo padrões da indústria de IoT.
• Não haveria preocupação com o software embarcado → o serviço 
complexo faria todo o processamento pesado.
• Benefícios
• Racionalização do uso da internet → somente o dado bruto trafega.
• Simplificação do desenvolvimento → reuso de software.
Dificuldades de interoperabilidade 
com a arquitetura TCP/IP da Internet 
• Experiência com a interconexão entre as RSSF e a Internet 
demonstrou que
• O uso dos protocolos da Internet (arquitetura TCP/IP) sem 
modificações, é impraticável nos dispositivos com recursos 
limitados, comuns na IoT.
• A arquitetura fim-a-fim da Internet não foi planejada para 
comportar as demandas da IoT por escalabilidade e robustez.
• O gateway se tornou um gargalo da arquitetura.
→Essa arquitetura necessita de ajustes.
• Para tratar desses problemas a IETF criou dois grupos para 
gerenciar, padronizar e levantar os requisitos para as redes 
de baixa potência (Low-Power and Lossy Networks (LLN)):
• 6LoWPAN
• RoLL
Grupos criados pelo IETF para tratar dos 
problemas das redes de baixa potência 
• 6LoWPAN
• IPv6 in Low-Power Wireless Personal Area Networks 
Working Group.
• Responsável por padronizar o IPv6 para redes que fazem uso 
de rádios sobre o padrão IEEE 802.15.4.
• Especifica regras das camadas de enlace e física para redes 
sem fio pessoais de baixas potência.
• RoLL
• Routing over Low-Power and Lossy Links Working Group
• Responsável por padronizar o protocolo de roteamento que 
utilizará o IPv6 em dispositivos com limitações de recursos.
• Definiu o IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy
Networks (RPL) → estado-da-arte em roteamento para IoT.
• Constrói uma topologia robusta para comunicação na IoT.
6LoWPAN Working Group
• Trabalha na definição de uma camada de adaptação 
intermediária entre a camada de rede IPv6 e a camada de 
enlace do padrão IEEE802.15.4.
• Permite executar uma rede IPv6 com as restrições do IEEE802.
• Ideia: realizar a compressão de pacotes IPv6.
• Permitir que dispositivos com baixo poder computacional usem o 
IPv6.
• Implementações reduzidas da pilha TCP/IP para dispositivos 
de baixa potência
• Low weight IP (lwIP)
• Possui mais recursos do que a pilha μIP → pode prover uma vazão maior
• Micro IP (μIP)
• Uma das menores pilhas TCP/IP existentes
• Desenvolvida para pequenos microcontroladores (8 ou 16 bits)
• Integra o Contiki (SO para sistemas em rede com restrição de memória, 
com foco em dispositivos de IoT sem fio de baixo consumo).
Principais protocolos usados 
para estabelecer conectividade 
em uma rede de IoT
Protocolos de comunicação de 
dados mais usados em IoT
• HTTP/HTTPS
• MQTT
Protocolo HTTP/HTTPS
Hypertext Transfer Protocol (Secure)
• Criado nos primórdios da internet para suportar a 
comunicação entre páginas (sites) e navegadores.
• Implementa código legível no formato de texto ASCII.
• Utiliza o protocolo TCP→ orientado a conexão
• O servidor cria uma sessão de comunicação com o cliente e a mantém 
aberta enquanto houver a troca de dados.
• HTTPS = extensão de segurança do HTTP.
• Emprega a criptografia para impedir a leitura dos dados trocados.
• Limitações
• Sentido único do tráfego de dados
• Cliente → servidor (dispositivo → plataforma de IoT).
• Travamento
• Síncrono → trava a thread enquanto espera a resposta do servidor.
• Não guardar estados (stateless communication).
Protocolo MQTT
Message Queuing Telemetry Transport
• Criado em 1999 pela IBM para:
• Suportar a comunicação M2M (machine to machine).
• Arquitetura cliente-servidor orientada a mensagens.
• Protocolo de mensagens publish/subscribe
• Os dados trocados entre os dispositivos de IoT (clientes) e o 
servidor (broker) são subscritas por tópicos hierárquicos.
• Possibilita a comunicação de um para um, de um para muitos e de 
muitos para um.
• Ideal para as redes cuja internet seja custosa e limitada.
• Vocabulário de comandos simples.
• Protocolo statefull
• O handshake armazena o estado da comunicação
• Simplifica a operação e consume menor banda.
• Pode funcionar sem internet
Principais protocolos usados para 
conectividade em rede de IoT
• Ethernet
• Wi-Fi
• ZigBee
• Bluetooth Low Energy
• 3G/4G
• LoRaWAN
• Sigfox
Ethernet
• Padrão IEEE 802.3, oficializado em 1983 pelo 
IEEE
• Presente em grande parte das redes locais 
com fio existentes atualmente.
• Popularidade devida à simplicidade, 
facilidade de adaptação, manutenção e 
custo.
• Atualmente, dois tipos de cabos 
(Tanenbaum, 2011):
• Par trançado: taxas de até 1 Gbps, limitados a 
100 m.
• Fibra óptica: taxas de 10 Gbps, limitados a 2000 
m.
• Para dispositivos fixos, i.e., sem mobilidade
• Pode ser inadequado para aplicações de IoT.
Wi-Fi
• Solução de comunicação sem fio
bastante popular.
• Casas, escritórios, indústrias, lojas e até 
espaços públicos.
• Padrão IEEE 802.11.
• Versão atual, IEEE 802.11ac: taxas de 600 
Mbps ou 1300 Mbps.
• Alternativa ao padrão cabeado Ethernet.
• Pouca preocupação com dispositivos que possuemconsumo energético limitado.
• Não se espera que muitos dispositivos da IoT adotem esse padrão 
como principal protocolo de comunicação.
• Vantagens: alcance de conexão e vazão
• Adequado para navegação na Internet em dispositivos móveis, 
como smartphones e tablets.
• Principal desvantagem: consumo de energia
• Comparado com outras tecnologias de comunicação sem fio.
ZigBee
• Mantido pela ZigBee Alliance.
• Já adotado em aplicações residenciais e comerciais.
• Baseado na especificação do protocolo IEEE 802.15.4.
• Baixa vazão, consumo energético reduzido e baixo custo.
• Opera na frequência 2.4 GHz, mas é capaz de operar em 
outras duas frequências, 868 MHz e 915 MHz.
• Taxa máxima = 250 kbps (na prática, temos taxas inferiores).
• Permite que os dispositivos entrem em modo sleep por 
longos intervalos de tempo.
• Para economizar energia e estender a vida útil do dispositivo.
• Pode ser usado com o protocolo IP (incluindo o IPv6) e 
também utilizando a topologia em malha (Mesh2).
• Sua utilização em IoT requer um gateway.
Bluetooth Low Energy
• Protocolo de comunicação proposto pela Ericsson para 
substituir a comunicação serial RS-232.
• Atualmente, mantido pelo Bluetooth Special Interest
Group.
• Uma das principais tecnologias de rede sem fio para PANs
• Utilizada em smartphones, headsets, PCs e outros dispositivos.
• Bluetooth clássico
• Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR), versões <= 2.0
• Bluetooth High Speed (HS), versão 3.0
• Versões focadas em aumentar a taxa de comunicação.
• Bluetooth Low Energy (BLE), versão >= 4.0
• Especificação voltada para baixo consumo de energia.
3G/4G
• Padrões de telefonia celular.
• Adequado a projetos que precisam alcançar grandes 
distâncias.
• Consumo alto em comparação a outras tecnologias.
• A utilização em locais afastados e baixa mobilidade podem 
compensar esse gasto.
• Frequências utilizadas no Brasil
• Padrão 3G: 1900 MHz e 2100 MHz 
(UMTS)
• Padrão 4G (LTE): 2500 MHz.
• Taxa de comunicação alcançada
• Padrão 3G = 1 Mbps
• Padrão 4G = 10 Mbps.
LoRaWAN
• Projetada para criar redes de longa distância, em escala 
regional, nacional ou global, com dispositivos operados por 
bateria e com capacidade de comunicação sem fio.
• Atende a requisitos da IoT: comunicação segura e 
bidirecional, mobilidade e serviços de localização.
• Suporte a IPv6, topologia estrela.
• Atrativos: baixo custo e adoção pelas empresas de hardware.
• Taxa de comunicação: de 300 bps a 50 kbps.
• Consumo de energia pequeno.
• Utiliza a frequência ISM sub-GHz.
• Valores de frequência mais usadas : 109 MHz, 433 MHz, 866 MHz e 
915 MHz.
• MTU: 256 bytes.
Sigfox
• Utiliza a tecnologia Ultra Narrow Band (UNB), projetada para 
lidar com pequenas taxas de transferência de dados.
• Tecnologia ainda bastante recente, mas com bastante 
aceitação na Europa e América do Norte.
• Atua como uma operadora para IoT.
• Principal função → abstrair dificuldades de conexão e prover 
uma API para facilitar a implementação de sistemas IoT.
• Raio de cobertura → em zonas urbanas, entre 3 km e 10 km 
e em zonas rurais, entre 30 km a 50 km.
• Taxa de comunicação → entre 10 bps e 1000 bps.
• MTU: 96 bytes.
• Possui baixo consumo de energia.
• Opera na faixa de 900 MHz.
Leitura específica
• Conteúdo digital, Tema 1, Módulo 2: “ESFORÇOS DE 
PADRONIZAÇÃO E OS PRINCIPAIS PROTOCOLOS USADOS PARA O 
ESTABELECIMENTO DA CONECTIVIDADE EM UMA REDE DE IOT”.
• Google, Apple, Amazon Joint IoT Standard.
• Disponível em:
• https://www.youtube.com/watch?v=nanNxvqud3w
• SANTOS, B. P. ; SILVA, Lucas A. M. ; CELES, Clayson S. F. S. ; 
BORGES NETO, J. B. ; PERES, B. S. ; Vieira, Marcos A.M. ; VIEIRA, L. 
F. M. ; GOUSSEVSKAIA, O. N. ; LOUREIRO, A. A. F. . Internet das 
Coisas: da Teoria à Prática. Simpósio Brasileiro de Redes de 
Computadores e Sistemas Distribuídos 2016 - Minicursos Livro 
Texto. 1ed.Porto Alegre: Sociedade Brasileira de Computação -
SBC, 2016, v. 1, p. 7-10.
• Disponível em:
• https://homepages.dcc.ufmg.br/~mmvieira/cc/papers/internet-das-
coisas.pdf
https://www.youtube.com/watch?v=nanNxvqud3w
https://homepages.dcc.ufmg.br/~mmvieira/cc/papers/internet-das-coisas.pdf
Aprenda mais
• BRASIL. Decreto nº 9.854, de 25 de junho de 2019. 
Institui o Plano Nacional de Internet das Coisas e 
dispõe sobre a Câmara de Gestão e Acompanhamento 
do Desenvolvimento de Sistemas de Comunicação 
Máquina a Máquina e Internet das Coisas.
• Disponível em:
• http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/_ato2019-
2022/2019/decreto/D9854.htm#:~:text=Institui%20o%20Plan
o%20Nacional%20de,M%C3%A1quina%20e%20Internet%20d
as%20Coisas.
• O que é IoT?
• Disponível em:
• https://www.oracle.com/br/internet-of-things/what-is-iot/
http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/_ato2019-2022/2019/decreto/D9854.htm#:~:text=Institui%20o%20Plano%20Nacional%20de,M%C3%A1quina%20e%20Internet%20das%20Coisas
https://www.oracle.com/br/internet-of-things/what-is-iot/
Para próxima aula
• Conteúdo digital, Tema 1, Módulo 3: “PLATAFORMAS DE IOT 
DISPONÍVEIS NO MERCADO E SEUS PRINCIPAIS SERVIÇOS”.
• Arquitetura de referência IoT.
• Disponível em:
• https://www.youtube.com/watch?v=Zp9jm-ej4bA
• SANTOS, B. P. ; SILVA, Lucas A. M. ; CELES, Clayson S. F. S. ; 
BORGES NETO, J. B. ; PERES, B. S. ; Vieira, Marcos A.M. ; 
VIEIRA, L. F. M. ; GOUSSEVSKAIA, O. N. ; LOUREIRO, A. A. F. . 
Internet das Coisas: da Teoria à Prática. Simpósio Brasileiro 
de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos 2016 -
Minicursos Livro Texto. 1ed.Porto Alegre: Sociedade 
Brasileira de Computação - SBC, 2016, v. 1, p. 7-15.
• Disponível em:
• https://homepages.dcc.ufmg.br/~mmvieira/cc/papers/internet-
das-coisas.pdf
https://www.youtube.com/watch?v=Zp9jm-ej4bA
https://homepages.dcc.ufmg.br/~mmvieira/cc/papers/internet-das-coisas.pdf
Mãos à obra
Nesta aula aprendemos:
• Sobre os esforços de padronização da IoT.
• Os principais protocolos da IoT para 
transferências de dados.
• Os principais protocolos de transporte.