Desempeño de redes IoT domésticas
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Desempeño de redes IoT domésticas Autor: Miguel Ángel Lanz Morales Tutor: MSc. Roberto Vázquez Sánchez Consultante: MSc. Rafael A. Olivera Solís
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Desempeño de redes IoT domésticas
Autor: Miguel Ángel Lanz Morales
Tutor: MSc. Roberto Vázquez Sánchez
Consultante: MSc. Rafael A. Olivera Solís
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de
Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui
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Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central
“Marta Abreuˮ de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad
de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea
utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial
como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización
de la Universidad.
________________
Firma del Autor
Los abajo firmantes, certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según el acuerdo
de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un
trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.
______________ __________________________
Firma del Autor Firma del Jefe de Departamento
donde se defiende el trabajo
_______________________
Firma del responsable de
Información Científico-Técnica
IV
PENSAMIENTO
“No es grande el que siempre triunfa, sino el que jamás se desalientaˮ.
José Luis Martín Descalzo
V
No es grande el que siempre triunfa, sino el que jamás se desalienta.
(José Luis Martín Descalzo)
DEDICATORIA
A mis padres, por todos y cada uno de mis días.
A mis abuelos, por su ejemplo y amor incondicional.
A mi tía Isa por no dejar de apoyarme.
A mi novia, por todo lo que ha pasado conmigo.
A mi sobrino que me inspiró para seguir adelante.
VI
AGRADECIMIENTOS
Le agradezco primero que todo, a mi familia, especialmente a mis padres, mis abuelos, mi
super tía, por el apoyo y amor que me han brindado siempre.
Mi prima, mis hermanos por darme su cariño y sacarme una risa cuando más lo necesitaba.
Para mis amigos, los que están cerca y no tan cerca en estos momentos pero que siempre han
buscado la manera de hacerme saber que están y estuvieron, no tanto para los momentos de
gloria sino para los difíciles que fue cuando más prescindía de ellos, mis más grandes
agradecimientos.
A mi novia, a sus familiares que también me apoyaron mucho, en especial a mi suegra que
no está físicamente entre nosotros pero que me ayudó mucho para llegar hasta aquí.
A todos mis compañeros de estudio en los diferentes cursos por los que pasé, especialmente
a Néstor, El Lachi, César, Dennier, Dago, Juan, Daryl.
A mis amistades de psicología, Arianne, Betty, Neilyn, Amanda y Lisnay.
Agradezco al claustro de profesores de la carrera que me permitieron esforzarme para llegar
y seguir adelante. A mi tutor M. Sc. Roberto Vázquez Sánchez y a mi consultante M. Sc.
Rafael A. Olivera Solís.
Y a todas aquellas personas que contribuyeron a que mi estancia por Santa Clara fuera lo
mejor posible, Estrella, Alfredo, Rosy y Yamil.
VII
TAREAS TÉCNICAS
1. Desarrollo de la perspectiva teórica de las redes IoT.
2. Determinación de los parámetros de desempeño en redes IoT.
3. Selección de escenarios de redes IoT, empleando diferentes tecnologías.
4. Valoración de las distintas tecnologías de redes IoT.
5. Comparación del desempeño de la red de las tecnologías evaluadas.
_______________________ ___________________________
Firma del Autor Firma del Tutor
VIII
RESUMEN
El internet de las cosas constituye una tecnología que, en la actualidad, se ha incorporado a
la dinámica de la sociedad, precisamente por su capacidad en relación a la infraestructura y
conectividad en los servicios, así como por la generación de beneficios de empleo, costos
operativos e incremento de ganancias. Cada vez más, existe mayor cantidad de dispositivos
inteligentes conectados aplicables en diferentes contextos, especialmente en el sector
doméstico.
La presente investigación establece como objetivo analizar el desempeño de redes IoT
atendiendo a las exigencias del tipo de tráfico cursado desde un diseño de naturaleza
descriptiva que permite aproximarnos a una temática poco estudiada en el contexto cubano,
el análisis e integración de las partes constitutivas del objeto de investigación para lograr el
objetivo planteado.
La evaluación del desempeño de redes IoT a partir de los parámetros Throughput y Delay de
la modelación de las redes Z-Wave, Zigbee y WiFi permitieron concluir que existen
diferencias entre el desempeño de las tecnologías; así como la prevalencia de diferencias con
respecto al comportamiento ideal de la red.
Palabras Claves: internet de las cosas (IoT); desempeño de redes; tecnologías;
arquitectura.
IX
ABSTRACT
The internet of the things constitutes a technology that, at the present time, has become
incorporated to the dynamics of the society, precisely for your capacity in relation to the
infrastructure and connectivity in services, as well as for the earning generation of benefits
of job, running expenses and increment. More and more, there is bigger quantity of connected
applicable clever devices in different contexts, mainly in the domestic sector.
The present investigation establishes like objective analyzing the performance of nets IoT
attending to the requirements of the type of traffic taken a course in from a descriptive- nature
design that allows getting close to an ill-considered subject matter in the Cuban context, the
analysis and integration of the constitutive parts of the fact-finding object to achieve the
brought-up objective.
The performance evaluation of nets IoT from the parameters Throughput and Delay of the
modelation of the nets Z Wave, Zigbee and WiFi allowed concluding that there are differences
between the performance of technologies; As well as the prevalence of differences regarding
the ideal behavior of the net.
Key words: Internet of things (IoT); Performance of nets; Technologies; Architecture.
Por google translate:
The internet of things constitutes a technology that, at present, has been incorporated into
the dynamics of society, precisely because of its capacity in relation to infrastructure and
connectivity in services, as well as for the generation of employment benefits, costs
operative and increase of profits. Increasingly, there are more connected smart devices
applicable in different contexts, especially in the domestic sector.
The present research establishes the objective of analyzing the performance of IoT
networks in response to the demands of the type of traffic carried out from a design of a
descriptive nature that allows us to approach a topic little studied in the Cuban context, the
analysis and integration of the constituent parts of the object of research to achieve the
stated objective.
The evaluation of the performance of IoT networks from the Throughput and Delay
parameters of the Z-Wave, Zigbee and WiFi modeling allowed to conclude that there are
differences between the performance of the technologies; as well as the prevalence of
differences with respect to the ideal behavior of the network.
Internet of things (IoT); network performance; technologies; architecture.
1
TABLA DE CONTENIDOS
PENSAMIENTO ................................................................................................................. IV
DEDICATORIA .................................................................................................................... V
AGRADECIMIENTOS ....................................................................................................... VI
TAREAS TÉCNICAS ........................................................................................................ VII
RESUMEN ........................................................................................................................ VIII
ABSTRACT ......................................................................................................................... IX
TABLA DE CONTENIDOS .................................................................................................. 1
GLOSARIO DE TERMINOS ................................................................................................ 4
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 5
CAPÍTULO 1. LOS ESTÁNDARES EN LA TECNOLOGÍA DE REDES IoT: SUS
IMPLICACIONES EN EL CONTEXTO DOMÉSTICO. ................................................... 10
1.1 La tecnología de redes IoT: aproximaciones a sus características y funcionalidades
10
1.1.1 Antecedentes de la tecnología IoT: su evolución histórica .................................. 11
1.1.2 Conceptualización ................................................................................................ 13
1.1.3 Especificaciones de arquitecturas IoT ................................................................. 14
1.1.4 Redes IoT LPWAN .............................................................................................. 18
1.1.5 Aplicaciones de la tecnología IoT ....................................................................... 19
1.1.6 Retos y desafíos IoT ............................................................................................ 23
1.2 Estándares involucrados: características y factibilidad de su uso ............................... 24
1.2.1 Estándar Bluetooth v1.2 para la tecnología de comunicación inalámbrica
Bluetooth ....................................................................................................................... 25
1.2.2 Estándar 802.15.4 para la tecnología de comunicación inalámbrica 6LoWPAN y
Thread ........................................................................................................................... 26
2
1.2.3 Estándar GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G) para la
tecnología de comunicación inalámbrica Cellular ....................................................... 27
1.2.4 Estándar ISO/IEC 18000-3 para la tecnología de comunicación inalámbrica NFC
...................................................................................................................................... 27
1.2.5 Estándar Sigfox para la tecnología de comunicación inalámbrica Sigfox ............ 28
1.2.6 Estándar Neul para la tecnología de comunicación inalámbrica Neul ................. 28
1.2.7 Estándar LoRaWAN para la tecnología de comunicación inalámbrica LoRaWAN
...................................................................................................................................... 28
1.2.8 Estándar para la tecnología de comunicación inalámbrica CPS .......................... 28
CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE TOPOLOGÍAS DE REDES IoT .................................... 30
2.1 Tipo de investigación .................................................................................................. 30
2.2 Métodos de investigación científica ........................................................................... 30
2.3 Descripción de las capas de las tecnologías a emplear. .............................................. 32
2.3.1 Estándar 802.11 para la tecnología de comunicación inalámbrica WiFi ............. 32
2.3.2 Estándar 802.15.4 para la tecnología de comunicación inalámbrica Zigbee ....... 34
2.3.3 Estándar Z-Wave Alliance ZAD12837/ITU-T G.9959 para la tecnología de
comunicación inalámbrica Z-Wave ............................................................................... 36
2.4 Estrategias de selección para la implementación de redes IoT domésticas (alternativas
en cuanto a topología, tecnología y seguridad) ................................................................. 40
2.4.1 Tecnologías de comunicación inalámbricas ........................................................ 41
2.4.2 Criterios de selección ........................................................................................... 42
2.4.3 Topologías ........................................................................................................... 45
2.5 Descripción del software y los escenarios a emplear para la simulación de las redes
IoT para diferentes tecnologías. ........................................................................................ 49
2.5.1 Simulación de redes inalámbricas mediante OPNET .......................................... 50
CAPÍTULO 3 Evaluación de redes IoT ................................................................................ 53
3
3.1 Simulación de diferentes escenarios IoT .................................................................... 53
3.1.1 Descripción del escenario de la simulación para red Zigbee ............................... 53
3.1.2 Descripción del escenario de la simulación para red WiFi .................................. 54
3.1.3 Descripción del escenario de la simulación para red Z-Wave ............................. 55
3.2 Evaluación del desempeño ante diferentes tipos de tráficos ....................................... 56
Análisis de los resultados: ................................................................................................. 56
CONCLUSIONES ................................................................................................................ 62
RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 63
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... 1
ANEXOS ................................................................................................................................ 4
Anexo 1 ............................................................................................................................... 4
Anexo 2 ............................................................................................................................... 5
Anexo 3 ............................................................................................................................... 7
Anexo 4 ............................................................................................................................... 9
Anexo 5 ............................................................................................................................. 10
4
GLOSARIO DE TERMINOS
6LoWPAN IPv6 Over Low power Wireless Personal Area Networks,
AP Access Point
AWS Amazon Web Services
cloud computing Computación en la nube
GSM Global System for Mobile communications
HDSPA High Speed Downlink Packet Access
HSPA High Speed Packet Access
HTTP Hypertext Transfer Protocol
IoT Internet of Things
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
ISM Industrial, Scientific and Medical
ITU International Telecommunication Union
LAN Local Area Network
LPWAN Low Power Wide Area Network
LTE Long Term Evolution
MAC Media Access Control
MAN Metropolitan Area Network
NFC Near Field Communication
OSI Open System Interconnection
QoS Quality of Service
RFID Radio Frequency Identification
RPL Routing Protocol for Low power and Lossy Networks
SAP Service Access Point
TIC Tecnologías de las Informática y las Comunicaciones
TCP Transmission Control Protocol
UHF Ultra High Frequency
WAN Wide Area Network
WWAN Wireless Wide Area Network
WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access
WSN Wireless Sensors Network
5
INTRODUCCIÓN
El internet de las cosas constituye una tecnología que cada vez es más usada a nivel mundial,
precisamente por la identidad virtual y la innegable capacidad potencial de integración e
interacción no solo entre máquinas, sino también entre las personas. El acceso a una amplia
infraestructura de información y comunicación a nivel mundial proporciona saltos
cualitativamente superiores en el uso del internet como plataforma global, de ahí el desarrollo
de métodos de comunicación entre equipos inteligentes.
El término Internet of Things (IoT) fue empleado en la administración de la cadena de
suministro por Kevin Ashthon en 1999. El uso intensivo de este tipo de dispositivos capaces
de interactuar automáticamente con los demás ya es transversal a toda la sociedad, y sus
aplicaciones las podemos encontrar en la industria, la medicina, el sector militar, etc. Para
lograr esto, los dispositivos IoT hacen uso de diversas tecnologías, protocolos de
comunicación e infraestructura. La Radio Frequency Identification (RFID) y tecnologías de
sensores de red presentarán nuevos desafíos para la industria y la sociedad en su conjunto,
debido a que las tecnologías de la información y comunicaciones (TICs) estarán embebidas
e invisibles en nuestro entorno. Por otra parte, el cloud computing proporcionará la
infraestructura necesaria e integrará dispositivos de almacenamiento, monitoreo,
herramientas de análisis, plataformas de visualización y despacho a clientes [1].
La evolución de las redes de información y comunicación se debe al desarrollo y crecimiento
considerable de redes WiFi y 4G LTE. Ello indica que la computación debe trascender a
escenarios de computación móvil que utilizan computadoras portátiles y teléfonos [2].
El surgimiento de internet implicó un salto evolutivo en la comunicación de las personas y
los objetos de la vida cotidiana al configurar una red heterogénea con disímiles aplicaciones,
objetivos, dispositivos y plataformas. Actualmente, no existe una definición específica ni
acabada sobre el IoT, no obstante, la referencia al internet de las cosas implica la
interconexión de dispositivos físicos a través del internet con el empleo de sensores,
actuadores y tecnologías de comunicación en aras de ampliar las aplicaciones y mejorar las
existentes. Hoy en día, constituye una de las aplicaciones de la tecnología de información y
comunicación con mayor crecimiento y desarrollo [3].
6
Algunos investigadores orientan el IoT en función de un modelo constituido por tecnologías
de comunicación inalámbricas como las redes de sensores inalámbricos, redes móviles y
actuadores, cada uno de los cuales a su vez se compone de otros elementos u objetos y
direcciones únicas.
Actualmente con la evolución del IoT se proyecta la creación de negocios, productos y
compañías en diferentes sectores en los que el desarrollo doméstico no se encuentra exento.
Estadísticas mundiales indican que en el año 2008 existían más dispositivos conectados que
habitantes en el planeta, por lo que se estiman para el año 2020 más de 50 000 millones de
dispositivos conectados [4].
A nivel empresarial, según estudios estadísticos de CISCO, el volumen de negocios que
integran la tecnología de IoT ascendió en el 2013 a 475 000 millones de euros. En esta
dirección se pronostica que IoT constituirá un negocio en sí mismo facilitador de mayor
productividad, ahorro y emergencia de nuevos mercados empresariales [4].
En los tiempos actuales se evidencia el uso del internet con una frecuencia cada vez mayor
en países con economías emergentes como Malasia, Brasil o China. Estimaciones
estadísticas identifican que en Brasil el 60% de su población utiliza el internet, al menos de
forma ocasional mediante un teléfono inteligente; en China, el 65% y en Malasia el 68%,
según un estudio de Pew Research Center [5].
El IoT es empleado por millones de usuarios, dígase personas y/o dispositivos. Su uso ha
sido extendido en muchos contextos industriales, agropecuarios, en ciudades e incluso en la
actividad doméstica, gracias a las tecnologías inalámbricas que se disponen.
El uso de esta tecnología IoT ha aumentado las posibilidades y oportunidades de interacción
en la red, lo cual optimiza no solo el conocimiento que se tiene, sino también el proceso de
toma de decisiones, fundamentalmente la resolución de problemas a partir del control y
monitoreo de las situaciones críticas de un dominio de aplicación [6].
El uso exacerbado del IoT se debe a la generación de voluminosos paquetes de datos en la
nube, a partir de la duplicación de los objetos físicos o virtuales conectados, ello proporciona
procesos de actualizaciones periódicas. De ahí que, la mayor utilidad del IoT radique en el
7
aumento considerable del valor de la información generada por las interconexiones entre los
dispositivos y su transformación en conocimientos para el beneficio de la sociedad. Por tanto,
los resultados evidencian la posibilidad de analizar la información, incrementar la
interconexión inteligente, proliferar aplicaciones de conectividad de cadenas de suministro y
monitorear las acciones de los objetos [5].
Evidentemente, las TICs se han convertido en una herramienta indispensable para la
convergencia de servicios como: televisión, telefonía y mensajería hacia una única red de
comunicaciones. Esto hace que el Internet se vuelva algo fundamental en la vida de las
personas.
En resumen, el IoT es una innovación tecnológica que permite transformar todos los objetos
que se usan cotidianamente en objetos inteligentes. Todos los equipos u objetos que hoy
rodean al ser humano estarán conectadas transmitiendo y recibiendo información para
facilitar la vida y volverla más eficiente, ya sea en consumos energéticos, en administración
de finanzas e incluso en la utilización del tiempo. Sin embargo, las limitaciones de velocidad
de acceso, violaciones de privacidad, robos de datos y amenazas de seguridad se están
convirtiendo en algo común. Para evitar esto y escoger la red doméstica adecuada, primero
se debe entender el comportamiento de estos dispositivos. Tales motivos conllevan a la
formulación del siguiente problema científico en la investigación:
¿Qué tecnologías de redes IoT tienen mejor desempeño para diferentes tipos de tráfico?
En correspondencia se establece como objetivo general:
Valorar el desempeño de redes IoT atendiendo a las exigencias del tipo de tráfico cursado.
Para su cumplimiento se plantean como objetivos específicos de la presente investigación:
1. Establecer los referentes teóricos sobre las redes IoT.
2. Proponer arquitecturas de redes IoT para uso doméstico.
3. Simular redes IoT en Opnet Modeler atendiendo al tipo de tráfico cursado.
8
Las interrogantes científicas que guían el proceso investigativo son:
¿Cuáles son los referentes teóricos para el estudio de las redes IoT?
¿Cuáles tecnologías, topologías y alternativas pueden ser simulados según los objetivos de
la investigación en el software modelador?
¿Qué criterios permiten evaluar el desempeño de las redes IoT propuestas para diferentes
tipos de tráfico?
¿Qué desempeño presentan las tecnologías seleccionadas de acuerdo a los parámetros
establecidos?
Para ello se explicitan las siguientes tareas científicas:
1. Análisis de la bibliografía para fundamentar las bases teóricas de las redes IoT.
2. Determinación de los parámetros de desempeño en redes IoT.
3. Selección de escenarios de redes IoT, empleando diferentes tecnologías.
4. Valoración de las distintas tecnologías de redes IoT.
5. Comparación del desempeño de la red de las tecnologías evaluadas
La evaluación del desempeño de diferentes redes domésticas para dispositivos IoT comunes,
a partir de la utilización de la información y los conocimientos derivados de estos datos
permite comparar el comportamiento de diferentes tecnologías basadas en la topología de
red malla, atendiendo a los indicadores de throughput y delay. El aporte teórico de la
investigación se sustenta en la sistematización de los conocimientos sobre redes IoT en
función de sus definiciones, arquitectura, aplicaciones y principales desafíos en la actualidad.
Para ello se realizó un proceso de revisiones bibliográficas y búsqueda de información
especializada. Su contribución metodológica y práctica radica en el establecimiento de un
marco comparativo que permita evaluar las tecnologías Z-Wave, Zigbee y Wifi.
Para el desarrollo de la investigación se utilizarán diferentes métodos que permitieron el
abordaje del problema, el método histórico-lógico y el analítico-sintético. En relación al
9
proceso de procesamiento de la información especializada se utilizó el método de la
modelación a través del software OPNET, el cual favoreció el análisis y evaluación del
desempeño de las redes de acuerdo a los parámetros definidos en la investigación.
El trabajo consta de:
Capítulo 1: se describen los diferentes estándares involucrados, sus características,
factibilidad de su uso para el cumplimiento del objetivo general.
Capítulo 2: se definen criterios de selección para la implementación de redes IoT domésticas,
particularizando las diferentes alternativas en cuanto a topología, tecnología y seguridad. Se
realiza un estudio del estado de la tecnología IoT en el mundo, también se trata brevemente
las aplicaciones en el sector empresarial.
Capítulo 3: se realiza la simulación de diferentes escenarios IoT, empleando las arquitecturas
propuestas en el capítulo 2, y se hace una evaluación del desempeño de estas ante diferentes
tipos de tráfico.
Además se dedica un cuerpo de la investigación a las conclusiones, en las que se sintetizan
los resultados a partir de los objetivos propuestos; recomendaciones, donde se explicita la
necesidad del enriquecimiento científico y de propuestas de estudios futuros que puedan ser
derivados del trabajo realizado; bibliografía, en la cual se insertan cada una de las referencias
empleadas en la investigación cumpliendo con el rigor científico requerido; seguido de los
Anexos que complementarán los resultados del análisis e investigación realizado.
10
CAPÍTULO 1. LOS ESTÁNDARES EN LA TECNOLOGÍA DE REDES
IoT: SUS IMPLICACIONES EN EL CONTEXTO DOMÉSTICO.
En este capítulo se alude a la tecnología de redes IoT desde un acercamiento a sus
fundamentos teóricos, antecedentes históricos, peculiaridades técnicas y principios de
funcionamiento. Así mismo, se plasman las arquitecturas de redes IoT en función de su
aplicabilidad. Se describen los principales contextos en los que se ha desarrollado el IoT con
marcada precisión en el contexto doméstico como objeto de la investigación.
1.1 La tecnología de redes IoT: aproximaciones a sus características y funcionalidades
La comunicación, desde sus inicios, se ha manifestado con un carácter interpersonal, es decir
de personas a personas. Progresivamente, los procesos comunicativos han alcanzado un
desarrollo en el que la sociedad se ve orientada hacia un sistema de comunicación que
trasciende los límites humanos, pero es capaz de conectarlos a estos con dispositivos
inteligentes.
El auge en el uso de las tecnologías ha contribuido que la personas se familiaricen con el
internet, como uno de los procesos fundamentales de las comunicaciones. Esta tecnología
adquiere su máxima expresión en el contexto doméstico debido a la masificación de los
dispositivos inteligentes conectados a internet, lo cual permite que las tareas mecánicas y
molestas sean realizadas de forma automatizada en las que las personas solo intervienen para
conocer la información mediante el acceso a internet, aun cuando su desarrollo no se
comercializa como el de la telefonía móvil, en el siglo XXI muchas empresas invierten en el
avance del internet en este sector.
Ese proceso se concibe desde las redes de comunicaciones como uno de los principales
habilitadores de un proyecto IoT, los que permiten conectar dispositivos, máquinas, sensores
o “cosas” en tanto sean capaces de generar datos desde cualquier ubicación geográfica. Sin
embargo, IoT no se concibe desde múltiples sensores conectados simultáneamente, sino
mediante dos generadores de datos que pueden estar distantes conectados a una red de
comunicaciones, como es el caso del internet [7].
11
El Internet de las Cosas es considerado por varias personas de manera errónea como una
tecnología independiente. No obstante, el IoT está siendo habilitado por la presencia de otras
tecnologías independientes, las cuales se constituyen en el hardware, el software y la
infraestructura como sus componentes fundamentales.
El hardware, es un componente físico asociado a las partes tangibles (componentes eléctricos,
electrónicos, electromagnéticos y mecánicos) de cualquier sistema informático que se
emplee, siempre que procesen datos y se articulen con el firmware y/o software. El
requerimiento del hardware como componente de las tecnologías independientes se debe a
que hace que los objetos físicos puedan recuperar datos y responder a las instrucciones [8].
Se considera el software como componente lógico que sustenta la realización de tareas
específicas relacionadas con la recolección, almacenamiento, procesamiento, manipulación
e instrucción de datos. El software incluye aplicaciones informáticas de edición, y sistema
operativo que permiten el funcionamiento y la interacción entre componentes físicos y
lógicos [8].
La infraestructura de comunicación como tercer componente resulta de máxima importancia
en tanto consiste en los protocolos y tecnologías que permiten a dos objetos físicos
intercambiar datos.
1.1.1 Antecedentes de la tecnología IoT: su evolución histórica
Desde la segunda década del siglo XX, aproximadamente en el año 1926, el conocido y
admirado Nicola Tesla fundamentó y patentizó la teoría que sirvió de base para las
comunicaciones radiales e inalámbricas. Varios años más tarde se elabora el código de barras
a fin de continuar su desarrollo y presentarlo al mercado. Hacia octubre de 1969, se logró el
envío del primer mensaje a través de la Red de Agencia de Proyectos de Investigación
Avanzada (del inglés, Advanced Research Projects Agency Network, ARPANET), encargada
por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos para ser usada para la comunicación
entre entidades académicas y estatales.
En el año 1973, se realiza el otorgamiento de una primera patente para un lector/escritor
RFID pasivo, las cuales surgieron en un escenario militar durante la II Guerra Mundial a
12
partir del empleo de ondas electrostáticas o electromagnéticas para la transmisión de señales
por las que viajaba la información. El Protocolo de Control de la Transmisión (TCP) se
transforma a TCP/IP para formar un sistema que soportara el tráfico en tiempo real, esto fue
gracias a un grupo de trabajo entre los que se destacan Jhon Schoch, David Reed y Danny
Cohen hacia 1978 [1].
En 1980 se logra el primer acercamiento a lo que después se concebiría como el IoT. Esta
conexión se desarrolló a partir de la instalación de un micro-switch en una máquina
expendedora de refrescos que conectada al ordenador del Departamento de Ciencias de
Carnegie Mellon podía controlar el número de botellas que quedaban y su temperatura en los
indicadores frío y caliente [1]. Una década más tarde, se implementó la primera
comunicación con éxito entre un cliente Hypertext Tranfer Protocol (HTTP) y un servidor
de internet, gracias a Berners-Lee surgiendo así la Word Wide Web. Un año más tarde se creó
la primera página web, que dio paso al surgimiento del internet.
En 1994, surgió la primera webcam que posibilitó ver el nivel de café en una cafetera sin la
necesidad de levantarse, bajo la experimentación científica de Steve Mann. Cuatro años
después tiene lugar el primer simposio internacional del IEEE sobre “wearable computers”
en Cambridge, Estados Unidos [1].
La conceptualización de IoT apareció en julio de 1999 cuando se abordó por primera vez en
conferencia impartida por Kevin Ashton en Procter & Gamble. De esta manera se empleó
gradualmente en las publicaciones de primer nivel de forma abierta. Un año después, la
compañía LG anunció el lanzamiento de su primera nevera conectada a internet, lo cual
constituyó el punto de partida para el avance progresivo del término IoT.
Evidentemente, la década de los 90 constituyó un momento de desarrollo tecnológico en la
que el internet mostró gran actividad, debido a la creación de aplicaciones para este fin.
Además de que se mostró en el evento de Interop el primer objeto conectado a internet con
encendido y apagado de forma remota por John Romkey. Posteriormente, Sanjay Sarma,
David Brock y Kevin Ashton mostraron el enlace de objetos a través de tarjetas RFID usando
el internet [6].
13
El desarrollo de IoT aumentó a partir del año 2005, precisamente cuando la Unión
Internacional de Telecomunicaciones (UIT) hizo la primera publicación sobre el estudio de
este tema. Un año después, en 2006, por creación de Rafi Haladjian y Olivier Mével se
mercadea Nabaztag que consiste en un pequeño conejo que se conecta vía WiFi con el
estándar IEEE 802.11g a internet. Se comunica mediante el envío de mensajes vocales,
luminosos y moviendo sus orejas para brindar información acerca del estado del tiempo,
velocidad del aire, recepción de emails, entre otras aplicaciones [9].
En 2008, con especialistas en tecnologías, comunicaciones y energías se creó una
organización sin fines de lucro, IPSO Alliance, con el objetivo de promocionar el uso del
internet en objetos y dispositivos inteligentes y así hacer realidad IoT, actualmente cuenta
con cerca de 60 empresas en el mundo como Cisco, Google, Motorola y otras [9]. En ese
mismo año se creó lo que hoy se conoce como Xiyely, definido como una Plataforma de
Servicios para el IoT, concebida como una nube dedicada a la recepción y despliegue de la
información de los sensores que se necesiten conectar.
En resumen, según investigaciones estadísticas de Cisco, se estima que el IoT nació entre los
años 2008 y 2009 cuando el número de personas fue superado por la cantidad de dispositivos
conectados a la red de redes [1]. Sin embargo, otras fuentes indican que la evolución del
término IoT proviene del desarrollo del internet en la década de los 70.
Lo cierto es, sin dudas, que los antecedentes de la IoT se remontan a la creación de los
primeros protocolos de comunicaciones por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT)
y la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA), lo que se hace coincidir con la
anticipación de la conectividad global, la miniaturización tecnológica y la inteligencia en
sensores y equipos de comunicación propuestas por Nikola Tesla y Alan Turing [6].
1.1.2 Conceptualización
La conceptualización de internet de las cosas resulta diversa en las investigaciones científicas
que lo abordan. Se ha empleado indistintamente el término de computación oblicua,
inteligencia ambiental o computación omnipresente para referirse al IoT. Actualmente no
existe una definición exacta ni conclusiva sobre la tecnología de IoT [10]. El concepto ha
14
evolucionado desde su origen a la actualidad concibiéndose primariamente como cosas
identificables vía RFID.
El IoT implica un escenario donde las “cosas”, típicamente dispositivos electrónicos
inteligentes con sensores y actuadores distribuidos geográficamente, se encuentran
identificados y conectados a Internet y permiten el control y monitoreo remoto de situaciones
críticas de un dominio de aplicación, incluso sin la interacción humana [6].
El IoT se refiere a la “interconexión digital de objetos cotidianos con Internet”, lo cual
aumenta la eficiencia operativa, reduce los costos y mejora la disponibilidad de la red
productiva, así mismo, se considera que permite contar con productos que monitorean y
entregan informaciones decisorias [11].
Se entiende el IoT como “la tendencia con más posibilidades de desarrollo y negocio, tanto
en los servicios para las personas como en sus aplicaciones industriales. En esencia IoT se
basa en sensores, redes de comunicación y en un sistema inteligente que maneja todo el
proceso y los datos que genera. Esta última parte conecta a IoT con Big Data” [3].
En este sentido, se concuerda con la definición de IoT como “modelo que abarca a las
tecnologías de comunicación inalámbrica como las redes de sensores inalámbricos, redes
móviles y actuadores, con cada uno de los elementos denominados objeto o cosa y con una
dirección única” [12].
1.1.3 Especificaciones de arquitecturas IoT
En la actualidad existen diversas arquitecturas de IoT en función de su aplicabilidad. En este
sentido se pueden identificar las capas Dominio de Aplicación, Dominio de Red y Dominio
de sensores [13], las cuales permiten comunicar, almacenar, analizar y procesar
eficientemente gran cantidad de información.
Actualmente se define como marca de referencia para la arquitectura de los sistemas IoT el
estándar P2413, el cual se emplea como borrador definitivo desde abril de 2017 [14]. De ahí
que se describa la arquitectura de IoT en tres capas fundamentales (Applications Layer,
Networking and Data Communications Layer y Sensing Layer). De esta manera se compone
15
el mercado IoT por los actores estratégicos (Hospitals and Doctors, Insurance Companies,
Appliances Providers, Facility Managment, Retail Stores, Applications Developers, Utilities,
Automation Equipment Providers, Manufacturing Industries, City Authorities, Public
Transport Companies, Logistics Companies, Regulators, ICT Infrastructure Providers,
Consumers, Consumer Equipment Provider).
De modo general para esta tecnología se emplean 4 capas conectadas entre ellas
jerárquicamente en su arquitectura (IoT Endpoints, IoT Edge Platform, IoT Platform Hub y
Entreprise Applications), tal y como se muestra en la figura 1, empezando desde los módulos
físicos hasta los modelos de negocio y toma de decisiones. Se tienen en cuenta equipos de
seguridad e interconexión donde los datos son adquiridos de la primera capa, mientras el
control va desde las capas superiores hasta las inferiores, destacándose algunos componentes
en todas y cada una de las capas [15].
Figura 1. Plataformas de la arquitectura IoT. Fuente: Elaboración propia, 2019.
En la capa Endpoints, primera de la arquitectura IoT están localizados los objetos y
dispositivos concebidos para la detección, el censado, monitoreo y captura de eventos,
niveles y actividades para procesarlas en datos y enviarlas a un Gateway de la segunda capa
IoT, plataforma Edge. Dicho envío se puede realizar de manera alámbrica o inalámbrica, por
lo general la segunda vía es la más utilizada y donde algunos de estos objetos reciben órdenes
de forma virtual desde capas superiores. De un gran número de dispositivos que pueden
practicar el censado quienes tienen mayor dominio son las etiquetas (tag) pasivas/ activas
RFID y los actuadores que sí reciben algún pulso de energía que los excite podrían llegar a
16
crear cambios en otros equipos de igual tipo, o sea de censado que pudieran ser monomodo
o multimodo [13].
Los equipos de censado atienden a diversas clasificaciones debido a su rango mecánico, las
cuales son las siguientes: sensores capacitivos, inductivos, mecánicos y sensores
fotoeléctricos.
La capa dos de IoT, Plataforma Edge, contiene dispositivos que su mayor disposición está
en la interconexión de objetos inteligentes con las plataformas de la llamada nube (del inglés,
Cloud Computing) basándose en el transporte y direccionamiento de los datos que fueron
censados hacia las capas que deben procesarlos y almacenarlos. Los dispositivos de esta capa
para el aumento de los objetos o dispositivos a monitorear y procesar, deben tener algoritmos
de multiplexación [14].
Hay otras tecnologías inalámbricas como WiFi (Wireless Fidelity), Bluetooth, NFC (Near
Field Communication) que son de distancias cortas y que usan lectores de radiofrecuencias
en las etiquetas RFID. En ambas modalidades de comunicación, dígase alámbricas o
inalámbricas, se usan para la recepción y posterior envío de los datos hacia la capa 3,
Plataforma IoT [13].
En la capa 3, los servicios más usados de la computación en la nube vienen de la mano de
Microsoft Azure, AWS (del inglés, Amazon Web Services), IBM Hadoop, entre otras, que se
emplean como ayuda para el análisis y la visualización de los datos en la configuración de
alarmas y notificaciones. En esta capa, los perfiles de usuarios pueden ser configurados por
el administrador, asociándolos a permisos de lectura escritura de los datos que se encuentran
en esta plataforma. Los dispositivos están alejados y por lo general no se encuentran alojados
en el mismo lugar, no siendo así en una red de sensores extendidas. De cierta manera en esta
capa se haya una plataforma centralizadora de datos para almacenar y procesar señales de
alertas y notificaciones para enviar a la plataforma de aplicaciones.
En la cuarta capa de esta arquitectura IoT a pesar de no haber una estrecha relación con las
capas anteriores de recolección y procesado de datos, es ahí donde precisamente se ejecutan
las normas y pautas para la correcta función del sistema. Destacando que el acceso a la
plataforma Hub de IoT se puede hacer desde cualquier dispositivo con conexión a internet
17
siendo de uso frecuente las configuraciones de las alertas que se envían a dispositivos
móviles, es decir, a teléfonos inteligentes.
Grandes empresas han permitido la accesibilidad remota por haber tomado la decisión de
alojar en sus propios servidores la información que transmiten para agilizar su acceso, en
lugar del empleo de servidores virtuales que son de mayor costo. O sea, la capa Entreprise
Applications gestiona los datos censados con anterioridad para la habilitación de la toma de
decisiones de cara a la automatización de procesos por lo que requiere de recursos físicos,
lógicos y humanos que integran desde un servidor físico o virtual hasta un Centro de
Procesamiento de Datos [13].
La capa Dominio de red se refiere a los componentes de pre-procesamiento y comunicación
entre la Red de Sensores Inalámbrica (del inglés Wireless Sensors Network, WSN) y la
plataforma. Los principales componentes de este dominio son el Gateway o Micro data
center, la red de comunicación con la WSN y la red de comunicación con la plataforma IoT.
El primer componente es un dispositivo que coordina la comunicación con la WSN y la
plataforma IoT por lo que se encarga de obtener datos crudos y luego efectuar un pre-
procesamiento y almacenamiento temporal; y una vez concluido el proceso enviar los
resultados a la plataforma IoT mediante el protocolo de comunicación. El segundo
componente representa la tecnología capaz de establecer comunicación entre los dispositivos
IoT (motes) y un Gateway IoT, como por ejemplo Zigbee, Bluetooth Low Energy (BLE),
LoRa, Sigfox. El tercer componente comprende la tecnología de comunicación del Gateway
IoT con la plataforma IoT, gemelamente se usa el LAN (Local Area Network), WAN (Wide
Area Network) o MAN (Metropolitan Area Network); Estas tecnologías pueden ser: WiFi,
Ethernet, WiMax, LoRa-WAN.
La capa Dominio de sensores integra transductores, sensores y actuadores en las WSN y los
motes. Los transductores son dispositivos que transfieren un tipo de energía en otra diferente
como micrófonos (transforman sonido en impulsos eléctricos), altavoces (transforman los
impulsos eléctricos en sonidos). Los sensores destinados a la detección de cambios de
estímulos físicos y la conversión en señales. El actuador es un dispositivo conmutador de
señales que utiliza la energía para lograr esos movimientos. La relación entre estos términos
se fundamenta en que un sensor puede ser usado como tal por sí solo, mientras que un
18
transductor requiere de sensores asociados al circuito eléctrico; y los actuadores funcionan
como un tipo específico de transductor. Por tanto, un transductor debe contener al menos un
sensor y la mayoría de los sensores deben ser transductores, tal y como se muestra en la
figura 2.
Figura 2. Relación de transductor y actuador. Fuente: Elaboración propia, 2019
1.1.4 Redes IoT LPWAN
Las redes para el internet de las cosas se consideran Redes de Áreas Extendidas de bajo
Consumo (del inglés, Low Power Wide Area Network, LPWAN) diseñadas para aplicaciones
que funcionen de máquina a máquina (MSMIoT)”. El objetivo fundamental de estas redes
consiste en la transferencia de datos a baja velocidad manteniendo un bajo consumo de
energía, de esta manera se prolonga la vida útil de las baterías.
Las redes LPWAN facilitan la conectividad entre dispositivos mediante un ancho de banda
menor al estándar requerido para los dispositivos domésticos. Precisamente, su aplicabilidad
radica en que proporciona una capa de baja potencia para sensores y medidores inteligentes,
fundamentalmente en el sector industrial. El principio de funcionamiento radica en la toma
de lecturas y envío de información a otro sistema capaz de procesar los datos. La conexión
de los dispositivos por medio de las redes LPWANs es de intervalos de 15 milisegundos
aproximadamente, lo cual alarga la duración de las baterías hasta casi 10 años de explotación.
Por tanto, la tendencia en la caracterización de este tipo de redes es al bajo costo, baja
potencia y seguridad de la construcción de una red IoT [6].
19
1.1.5 Aplicaciones de la tecnología IoT
La evolución del IoT en el siglo XXI se ha extendido a todas las áreas de la vida social en
mayor o menor medida. Desde los campos de la Industria a los de la Educación prevalece el
empleo de la tecnología a fin de proporcionar comunicación, interacción y análisis entre
dispositivos interconectados.
Entre los campos de mayor aplicación de la tecnología IoT se identifican transporte, salud,
ambientes empresariales, institucionales y domésticos, agricultura, medio ambiente e
industria manufacturera, tal y como se muestra en la figura 3 [16].
Figura 3. Beneficios de las aplicaciones del IoT en diferentes contextos. Fuente: Elaboración propia,
2019
Las ciudades se van automatizando cada vez más con la integración de diversos procesos y
servicios para la seguridad tanto para el sector público como para el privado. Se logra
optimizar el transporte, emplear sensores en los aparcamientos, los semáforos en función de
la cola de tráfico, las redes energéticas, cámaras de seguridad, mejor empleo del agua,
acciones sanitarias, entre otros [17].
El campo relacionado a la transportación incluye vehículos, embarcaciones, aviones y trenes
que presentan integración de dispositivos IoT. El uso de esta tecnología favorece el ahorro
de tiempo y costos, optimización de sistemas de peaje y tarificación, así como control de
cargas y mercancías a partir de la monitorización de indicadores de tráfico, tiempos de
20
espera, ubicación, temperatura y estado físico. Se gestiona inalámbricamente la presión de
aire y el estado de los neumáticos de los coches, se habiliten sensores de proximidad,
posición y presencia evitando accidentes y choques innecesarios.
El desarrollo de coches automáticos y sistemas de aviación mediante la tecnología IoT
disminuyen las incidencias, el gasto de combustible y aumenta la seguridad de los pasajeros.
De ahí que se controlen los datos relacionados con embarque, salida, entrada y controles
fundamentalmente [17].
El campo de la salud se orienta a la prevención, monitoreo y diagnóstico de pacientes en
función de algunas enfermedades, mayormente las crónicas. Se logra un diagnóstico de
forma remota con el empleo de pulseras, cinturones interactivos, en los fármacos se colocan
etiquetas inteligentes. Se crea una vigilancia o monitoreo de los hábitos alimenticios de los
pacientes. Además, se emplea la tecnología IoT en la industria farmacéutica para el
seguimiento de medicamentos [17].
El IoT resulta ampliamente aplicado con el objetivo de acelerar la toma de decisiones en el
sector de la agricultura y el medio ambiente. Su uso gradual y sistemático permite minimizar
pérdidas en los cultivos por plagas o enfermedades, facilitar el trabajo diario y mejorar la
calidad de los productos y servicios, debido a la recopilación de datos en tiempo real que se
almacenan en una base de datos. Estos a su vez son recogidos por diversos sensores que
atienden a los parámetros agua, suelo y aire fundamentalmente [15]. Se realizan mediciones
y controles a la contaminación ambiental y se emplean sensores para los pronósticos del
clima.
Millones de usuarios, hombres y maquinarias, interactúan a diario en cualquier lugar o
momento tanto en lo social como en lo laboral gracias a tecnologías inalámbricas disponibles.
Una importante aplicación del IoT es la Agricultura Inteligente (Smart Agriculture) que se
traduce como "el uso de las Tecnologías de la Información y Comunicaciones en la gestión
localizada de cultivos o parcelas agrícolas, basado en la existencia de variabilidad en campo,
para aplicar el tratamiento adecuado en el momento justo" [11].
En el sector agropecuario se pueden emplear varios sensores para recolectar información de
temperatura y humedad fundamentalmente del suelo, la humedad relativa de la atmósfera, la
21
radiación solar y otros que consisten en medir el diámetro de las plantas o frutos y la
frecuencia del viento, así como sensores para controlar el riego y el llenado de los recipientes
[6].
Cabe destacar al sector minero, con mayor potencia en los productos a emplear a causa de
medio de ejecución, siendo esa la principal diferencia porque las percepciones de uso serán
similares a las anteriores mencionadas [11].
La toma de datos y control de especies en peligro de extinción convergen como indicadores
en los que el IoT apuesta por su implementación en el contexto medioambiental. Las
aplicaciones con mayor efectividad actualmente consisten en la medición de eficiencia de
fuentes, usos de redes eléctricas y consumo de energía, las cuales aportan una mejoría en el
equilibrio energético y la disminución de emisiones de dióxido de carbono.
La industria manufacturera, por su parte, se alza como uno de los campos más beneficiados
por la tecnología IoT integradas a maquinarias de fábricas y almacenes de estantes para
realizar un seguimiento del producto en tiempo real en los diferentes ciclos de vida, la
sustitución de la mano de obra y cambios en la visión de negocios.
La introducción del IoT en el contexto doméstico se realiza a partir de su concepción como
“hogar independiente”, lo que pretende integrar dimensiones como seguridad, tratamiento
médico, procesamiento de datos, entretenimiento y negocios en torno a la vida familiar [3].
La dimensión seguridad familiar alude al contacto con las funciones de seguridad dinámica
de la familia en tiempo real y en cualquier lugar de la casa mediante el acceso a la red de IoT
de los equipos de seguridad como la cámara, detector de infrarrojos, detectores de humo. El
servicio de tratamiento médico, como una de las dimensiones, favorece la comprensión de
situaciones de urgencia a través del uso y conexión de dispositivos médicos como el
esfigmomanómetro para adultos mayores e infantes como poblaciones más vulnerables. Ello
permite, además, el mantenimiento de contactos frecuentes y sostenidos con centros médicos
comunitarios para la realización de intervenciones oportunas.
El tema referente al procesamiento de datos se concibe para el almacenamiento y
comprobación en los servidores de la red de grandes cantidades de datos (películas, música,
22
juegos). El entretenimiento familiar emerge como una dimensión enfocada a la política de
información, es decir, a la previsión de eventos meteorológicos, consultas de información de
cualquier tipo a partir de terminales con conexión a internet [5].
En los hogares además se incrementa su uso con actuadores inteligentes capaces de controlar
los equipos electrodomésticos. Se lleva un control de los servicios de cable/satélite,
generación y manejo de la energía y apagar equipos electrónicos cuando no se estén usando.
Se mejora la seguridad con controles de accesos y cerraduras inteligentes además de
detectores de humo y alarmas [17].
El servicio de negocio familiar, se determina a partir de la posibilidad que tienen las personas
de contar con un centro de negocios para el pago y compra desde su propio hogar.
Realizándose mediante etiquetas electrónicas y RFID que permiten el control de la
procedencia del producto adquirido así como la calidad de los alimentos [5].
En la educación se crean accesos a portales educativos y bibliotecas virtuales. Se pueden
intercambiar informes y resultados en tiempo real, también se puede interactuar y aprender
idiomas extranjeros.
La parte concerniente a la electrónica de consumo, dígase teléfonos celulares, computadoras,
refrigeradores y otros se les realizan modificaciones como funcionamiento autónomo,
personalización de la experiencia del usuario y sensores para los collares de las mascotas
domésticas [17].
Figura 4. Aplicaciones del IoT en diferentes contextos
23
Reconocer la aplicación del IoT en contextos empresariales, institucionales, e incluso
domésticos evidencia el aumento rápido que sensores y aplicaciones informáticas tienen para
la vida de las personas. Algunos de los indicadores que estadísticamente se estiman que
presentan mayor índice de uso son la temperatura, consumo de energía, tráfico, alumbrado,
regadío, alarmas y movimientos de objetos.
1.1.6 Retos y desafíos IoT
El auge que ha tomado IoT en la actualidad ha planteado varios retos y desafíos a enfrentar
por parte de los usuarios o incluso de su propio sistema. Inicialmente en etapas de desarrollo,
IoT se enfrentó a exigencias primordiales como costo, consumo energético y tamaño. Por
otro lado, se encuentra el usuario que debido a los constantes ataques cibernéticos a los que
se encuentran asediados día a día, necesita el fortalecimiento de la seguridad del sistema en
cuanto a privacidad, autenticación, rastreo, encriptación y las anteriores exigencias
mencionadas que también se le añaden.
En ámbitos empresariales, los sistemas IoT surgieron bajo la idea de ser empleados en
diversas esferas, pero el consumo energético se incrementa de manera que se convierte esto
en un costo operativo adicional para la economía. A través de este inconveniente se crea un
reto-desafío primordial para los desarrolladores del sistema IoT, crear un proyecto que
reporte soluciones para un bajo consumo energético empleando sistemas autosostenibles o
energías limpias, dígase energías renovables como por ejemplo, paneles solares, turbinas
eólicas, entre otras [13].
Las dimensiones y características físicas de los dispositivos se lograron comprimir con el fin
de hacerlos más confortables, así mismo se disminuyeron los costos de los equipos terminales
de manera que sean más asequibles para la población.
Para cada usuario la seguridad de su información es algo primordial, por lo que este se ha
convertido en el reto y/o desafío más notable, llegando a estar el sistema IoT catalogado por
la gran mayoría como una plataforma vulnerable a los ciberataques [13].
Los desarrolladores del sistema establecieron técnicas capaces de reducir los retos y/o
desafíos antes mencionados, con el empleo de sistemas para la optimización del consumo
energético, herramientas de autenticación, el cifrado de las señales, etc. [18].
24
En el año 2014 se celebró la Conferencia Internacional de Diseño Asistido por Computadoras
(International Conference on Computer-Aided Design, ICCAD, por sus siglas en inglés), la
cual mostró como resultado la propuesta de una técnica de seguridad basada en el Diseño
Asistido por Computadoras (del inglés, Computer-Aided Design, CAD) que logró identificar
la recolección de datos como la etapa más frágil y vulnerable a los ataques cibernéticos [13].
En la mencionada técnica se hacen protecciones tanto de software como de hardware, a su
vez se ejecutan mecanismos de seguridad en data centers y en la comunicación entre estos y
los dispositivos comercializados del IoT implantado.
La técnica antes mencionada, IoT-CAD, cuenta con dos estrategias para la creación del
diseño para la seguridad del sistema en cuestión. La primera de estas estrategias para la
seguridad consiste en que cada nodo debe contener variedad de identificadores de manera
que se dificulte el rastreo y en la segunda se aborda el encriptamiento de los nodos IoT,
ocultando la información de la señal de la portadora por medio del método digital
watermarking [13].
También se sugieren integrar al sistema IoT un grupo de protocolos de seguridad como son
el TLS, (del inglés, Transport Layer Security), IPsec (del inglés, Internet Protocol Security),
VPN (del inglés, Virtual Private Network), SSH (del inglés, Secure Shell), SFTP (del inglés,
Secure File Transfer Program), HTTPS (del inglés, Hypertext Transfer Protocol Secure) y
SNMP (del inglés, Simple Network Managment Protocol) [13].
1.2 Estándares involucrados: características y factibilidad de su uso
El internet de las cosas se basa en los sensores inalámbricos que permiten la comunicación
entre sí sobre la base de un consumo mínimo de energía, lo cual requiere comprender la
capacidad de los sensores para monitorear remotamente y reaccionar al ambiente donde
operan. Sin embargo, para su puesta en práctica, se debe tener en cuenta las normas y los
estándares, concebidos como “descripciones técnicas detalladas, elaboradas con el fin de
garantizar la interoperabilidad entre elementos construidos independientemente, así como la
capacidad de replicar un mismo elemento de manera sistemática” [19].
Los estándares IEEE han sido desarrollados por el Comité Técnico de la Sociedad IEEE y la
Junta Coordinadora de Estándares IEEE. Los documentos representan un consenso de la
25
amplia experiencia en el tema en el Instituto y otras actividades independientes de la IEEE.
Su empleo, aunque voluntario, muestra el camino para proceder, probar, medir, comprar y
proveer bienes y servicios vinculados con el alcance del estándar IEEE; así como de su
valoración científica en relación al estado del arte del estándar [20].
Existen diferentes tecnologías de conexión inalámbricas y cada una posee un estándar por el
cual se rigen para su correcto funcionamiento, ellas son: WiFi que corresponde al estándar
IEEE 802.11 en sus diferentes variantes, Zigbee con el estándar 802.15.4, Z Wave que
emplea el estándar Z-Wave Alliance ZAD12837/G9959, Bluetooth Low Energy que
pertenece a la estandarización de Bluetooth 4.2 Core Specification, entre otros que se
mencionan a continuación.
1.2.1 Estándar Bluetooth v1.2 para la tecnología de comunicación inalámbrica
Bluetooth
Otras tecnologías inalámbricas como el Bluetooth también se ejecutan en la frecuencia de
los 2.4 GHz lo que se torna un inconveniente porque puede llegar a interferir con la
tecnología wifi. Dado este problema se le buscó como alternativa el estándar 1.2 de
Bluetooth. Este estándar se actualizó para evitar estas colisiones al usarse ambas tecnologías
a la vez [21]. Esta tecnología está dada por un estándar de comunicaciones que precisa el
nivel físico y el nivel de enlace.
Las redes Bluetooth crean forma de espacio operativo personal (del inglés, personal
operating space) dentro del cual los dispositivos pueden moverse abiertamente. Dicho
estándar ha evolucionado tal y como se muestra en la figura 4 [7]:
Figura 5. Evolución del estándar Bluetooth. Fuente: Elaboración propia, 2019
1999
v1.0, v1.0B
2002
v1.1
2003
v1.2
2004
v2.0
2007
v2.1
2009
v3.0
2010
v4.0
2013
v4.1
2014
v4.2
2017
v5.0
26
1.2.2 Estándar 802.15.4 para la tecnología de comunicación inalámbrica 6LoWPAN y
Thread
La tecnología fundamental para la creación de redes IP (según el modelo internacional OSI)
es un protocolo de comunicación de datos digitales clasificado funcionalmente en la capa de
red. En los dispositivos inalámbricos es “IPv6 (Over Low power Wireless Personal Area
Networks, 6LoWPAN), un estándar que puntualiza los mecanismos de transportación de
paquetes IPv6 sobre IEEE 802.15.4 y el protocolo de enrutamiento (IPv6 Routing Protocol
for Low power and Lossy Networks, RPL) que se presenta como el principal candidato en las
redes de bajas potencias y pérdidas. El estándar 6LoWPAN integra los mecanismos
fundamentales para comprimir direcciones IPv6 sobre IEEE 802.15.4 [22].
El estándar 6LoWPAN se sustenta en IPv6 precisamente porque IPv4 aun cuando es uno de
los protocolos centrales en relación a los métodos de interconexión de redes, sus direcciones
son de 32 bits, y se restringe a 232= 4 294 967 296, direcciones únicas dedicadas
fundamentalmente a redes locales (LAN). Por esta razón, además del crecimiento del Internet
en la sociedad actual y el desperdicio de direcciones en muchos casos, surge el IPv6.
La superioridad en el empleo de IPv6 por encima del IPv4 se debe por la facilidad de disponer
de variadas cantidades de direcciones IP de 128 bits frente a las restricciones de
direccionamientos inherentes a IPv4 proporcionado por 32 bits. El trabajo con estas
direcciones proporciona 667𝑥1021 direcciones por metro cuadrado sobre la superficie del
planeta tierra.
Las especificaciones del comportamiento de las transmisiones de paquetes IPv6 sobre
LoWPAN se determinan en los RFC 4944 [23] y RFC 6282a [22]. De estos presupuestos
normativos se deriva que la creación de una capa intermedia llamada capa de adaptación o
LoWPAN adaptation layer, se ubica entre la capa de red y la capa de enlace de datos. Su uso
se debe a datagramas IPv6 coherentes con los requisitos de las capas más bajas, además de
proporcionar los mecanismos de fragmentación, reensamblaje y la compresión de cabeceras.
Este protocolo de internet reporta como principales beneficios:
- integración de los dispositivos embebidos
- uso de la infraestructura de la red Internet basada en redes IP
27
- conocimiento y prueba a escala mundial durante años con exitosos resultados
- apertura y gratuidad de la documentación de la tecnología
- facilidad de conexión a otras redes IP sin necesidad de proxy o gateways [24].
No obstante, los estándares 6LoWPAN y el IEEE 802.15.4 al no definir protocolos de
enrutamiento, necesitan del protocolo RPL, publicado en 2009 [25]. De este protocolo se
determinan los caminos de enrutamientos enfocados a tres tipos de patrones de tráfico:
multipunto a punto (MP2P), punto a multipunto (P2MP) y punto a punto (P2P) [26]. De
manera general, el mecanismo de funcionamiento se basa en que cuando un nodo trabaja con
RPL, obtiene primero una dirección global IPv6 y luego se une para intercambiar solicitud
de mensajes de información a una DODAG (del inglés, Destinated Oriented Directed Acyclic
Graph).
Una de las alternativas que menos se menciona es Thread, a pesar de no ser un protocolo de
aplicaciones IoT al igual que Bluetooth o Zigbee está fundamentado en varios protocolos
entre los que se encuentra IEEE 802.15.4, IPv6 y 6LowPAN. Soporta topología de red
mallada, puede tener hasta 250 nodos con altos niveles de seguridad, encriptación y
autenticación y su frecuencia de operación es de 2.4 GHz (ISM) [26].
1.2.3 Estándar GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G) para la
tecnología de comunicación inalámbrica Cellular
Otra tecnología empleada por el IoT es la red Cellular que se necesita para algunas
aplicaciones IoT sobre todos a largas distancias y para sensores que posean bajo ancho de
banda. Esta tecnología emplea estándar GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE
(4G) a frecuencias de trabajo de 900/1800/1900/2100 MHz. El alcance es variable en
dependencia del estándar empleado, un máximo de 35 Km para el GSM y hasta 200 Km para
HSPA. La razón de datos también va en dependencia de tipo de red, para GPRS oscila entre
35 y 170 kbps, EDGE de 120 kbps hasta 384 kbps, UMTS oscila entre 384 kbps y 2 Mbps,
de 600 kbps a 10 Mbps está HSPA, y LTE o 4G va de 3 a 10 Mbps, estos son valores típicos
de descarga.
1.2.4 Estándar ISO/IEC 18000-3 para la tecnología de comunicación inalámbrica NFC
28
NFC o Campo de comunicación cercano (del inglés, Near Field Communication) es de fácil
habilitación e interactúa en ambas direcciones entre dispositivos electrónicos. Su estándar es
el ISO/IEC 18000-3, trabaja en la frecuencia libre de 13.56 MHz (ISM) en un rango de 10
cm con una razón de datos de 100 a 420 kbps.
1.2.5 Estándar Sigfox para la tecnología de comunicación inalámbrica Sigfox
Sigfox es otra de las tecnologías en las alternativas de área extendida ya que está ubicada
entre la WiFi y la Cellular. Ofrece robustez, potencia y escalabilidad en la red. Su estándar,
del mismo nombre, trabaja por debajo de la banda de 1 GHz, sobre los 900 MHz. El rango
se divide para zonas rurales y para zonas urbanas, para la primera es de 30 a 50 Km mientras
que para la segunda la distancia oscila entre los 3 y 10 Km, en ambos casos la razón de
transmisión de datos es de 10 hasta 1000 kbps.
1.2.6 Estándar Neul para la tecnología de comunicación inalámbrica Neul
Neul es una tecnología similar a Sigfox, opera por debajo de la banda de frecuencia de 1 GHz.
Esta alternativa usa el espectro de UHF del Sistema de televisión. Su estándar, del mismo
nombre, funciona con varias frecuencias de operación en dependencia del lugar, 900 MHz
(ISM), 458 MHz (Reino Unido) y para el resto de 470-790 MHz. Su razón de datos va desde
pocos bits por segundos hasta 100 kbps con alcance de hasta 10 km.
1.2.7 Estándar LoRaWAN para la tecnología de comunicación inalámbrica LoRaWAN
LoRaWAN también es similar a las dos anteriores en algunos aspectos. Fue optimizada bajo
el estándar de igual nombre para tener bajos costos móviles. Su comunicación en IoT es
bidireccional, así como el bajo consumo de potencia que soporta largas redes con varios
dispositivos, su razón de datos es de 0.3 kbps hasta 50 kbps. Su alcance es en ambientes
urbanos de 2 a 5 km mientras que en zonas suburbanas es de 15 km.
1.2.8 Estándar para la tecnología de comunicación inalámbrica CPS
Se define como otra de las tecnologías para la conectividad eficiente en la operación de
sistemas convencionales y la generación de mejores condiciones de vida, la CPS (del inglés,
29
Cyber-Physical Systems). Entre las utilidades en el uso del CPS se identifican la capacidad
de control y retroalimentación en los sistemas industriales, las evaluaciones del rendimiento
y la posibilidad de mantenimientos con carácter preventivo a todos los componentes que
integran el sistema [14].
En resumen, para las redes IoT se identifica el IEEE 802.15.4, desde el año 2013 como el
más empleado en las comunicaciones de las capas físicas y de control de acceso al medio
[19]. Reconocer los estándares y la factibilidad de su uso implica asumir que IEEE no tiene
un estándar único para IoT.
La estandarización del sector de las tecnologías y las comunicaciones en relación a las IoT,
en Europa, se sustentan en el estándar GR IP6 008 [27], y se han automatizado procesos
importantes de larga duración para tal fin en sectores de ciudad inteligente (del inglés Smart
City, SC), edificios inteligentes (del inglés, Smart Building, SB) e industria inteligente (del
inglés, Smart Manufacturing) [14].
En este sentido, la ITU-T (del inglés, Internacional Telecommunications Union –
Standardization of Telecommunications) recomienda y define la IoT a partir de la
“Infraestructura mundial para la sociedad de la información que propicia la prestación de
servicios avanzados mediante la interconexión de objetos (físicos y virtuales) gracias a la
interoperabilidad de tecnologías de la información y la comunicación presentes y futuras”.
De esta conceptualización se deriva la generación de nuevos y atractivos servicios para la
sociedad a través de la conexión ilimitada y continua de un objeto desde cualquier ubicación
física [14].
30
CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE TOPOLOGÍAS DE REDES IoT
En este capítulo se definen el tipo de investigación, sus métodos y criterios de selección para
la implementación de las redes IoT domésticas, particularizando las diferentes alternativas
en cuanto a las tecnologías, topologías y seguridad de la red. Además, se realiza una
descripción del software y los escenarios a emplear para la simulación de las redes IoT para
diferentes tecnologías.
2.1 Tipo de investigación
El tipo de investigación que sustenta el presente trabajo es de naturaleza descriptiva en tanto
permite aproximarnos a una temática poco estudiada en el contexto cubano, por lo que
facilitará una comprensión del fenómeno IoT, así como el análisis e integración de las partes
constitutivas del objeto de investigación para lograr el objetivo planteado y su consecuente
propuesta de topologías de redes IoT.
La investigación permite la evaluación del desempeño de diferentes tecnologías IoT de
manera independiente al describir con precisión las variables a modelar para diferentes
escenarios. En correspondencia, se asume la presente investigación como aplicada a una
realidad concreta y orientada al desarrollo a partir de la modelación. Como investigación
desarrollo, aun cuando no se llega a la solución del problema, precisamente al no ser su
objetivo la aplicación comercial directa, sus resultados se constituyen en información básica
susceptible para ser utilizada en estudios posteriores [28].
2.2 Métodos de investigación científica
Para el desarrollo de la investigación se utilizan diferentes métodos teóricos que permitien
profundizar en las relaciones esenciales del proceso que se aborda. Su función gnoseológica
e inter complementariedad posibilitó arribar a conclusiones científicas con respecto a los
temas presentados.
Los métodos seleccionados que guiaron la presente investigación son:
• Método de análisis histórico lógico permite contextualizar el problema de
investigación, sus antecedentes y desarrollo. En este sentido, el método histórico permitió
estudiar la trayectoria y acontecimientos en la historia del IoT, en tanto a través del método
31
lógico se investigaron los estándares involucrados a cada una de las tecnologías para su
funcionamiento y desarrollo [29].
• Método analítico-sintético es necesario trabajar cada estándar y sus relaciones y luego
lograr la integración de las partes constitutivas del objeto de investigación para lograr el
objetivo planteado [29].
El análisis resultó en un proceso que permitió la descomposición en partes y cualidades del
IoT en el contexto doméstico, a partir de la relación de sus múltiples componentes,
arquitecturas, redes, estándares, tecnologías, topologías y alternativas. Mientras que, la
síntesis, como proceso inverso, favoreció la unión entre estas partes y su posterior evaluación
del desempeño durante su modelación.
• Método de modelación permite crear abstracciones con vistas a explicar la realidad
mediante un modelo como sustituto del objeto de investigación. Opera de forma práctica o
teórica con un objeto, no en forma directa, sino utilizando cierto sistema intermedio, auxiliar,
natural o artificial, en este caso, la modelación [29].
La modelación, reprodujo el desempeño de las redes IoT a partir de los parámetros
estudiados. Su selección como método permitió reproducir de manera simplificada y
heurística la realidad a estudiar, de ahí que emergieron nuevas relaciones y cualidades en el
desempeño de las redes que permitieron su evaluación posterior. Las principales
características de la modelación en la presente investigación fueron [29]:
- Reproducción esquemática del objeto de investigación: se cumplió con el nivel de analogía
estructural y funcional de la realidad investigada, por lo que puede ser posible extrapolar los
resultados obtenidos en la investigación.
- Operatividad y facilidad de su uso: Las redes IoT se pudieron modificar, transformar y
someter a diferentes parámetros con vistas a la evaluación de su desempeño.
- Representación de un mismo proceso por varios modelos: se utilizaron 3 tecnologías para
la modelación a fin de mostrar y evaluar su desempeño y características, lo cual podrá brindar
a la identificación a posteriori de una tecnología integral y general congruente con la
dinámica y peculiaridades del IoT en la sociedad actual.
32
- Interpretación en la teoría científica: las tecnologías, topologías y alternativas tuvieron un
fundamento científico explícito en la investigación.
2.3 Descripción de las capas de las tecnologías a emplear.
2.3.1 Estándar 802.11 para la tecnología de comunicación inalámbrica WiFi
El proceso de estandarización de las WLAN, específicamente la tecnología WiFi, es usada
tanto en entornos domésticos como empresariales. Esta tecnología alcanza el estándar en sus
diferentes versiones, así como en las distancias de alcance y velocidades, tal y como se
muestra en la tabla 2, anexo 1. Tuvo sus inicios por los años 1990 a razón de 1 Mbps y hasta
2 Mbps en sus enlaces. Siendo esto un poco lento se acomodó en 1999 el estándar IEEE
802.11b con una velocidad de hasta 11 Mbps con un ancho de banda del canal de 20 MHz,
operando en la frecuencia de los 2.4 GHz, luego apareció IEEE 802.11a, que presentó una
razón de transmisión máxima de hasta 54 Mbps, pero operando en la banda de frecuencias
de los 5 GHz. Posteriormente surgen nuevos estándares como son el IEEE 802.11g en los 2.4
GHz a razón de 54 Mbps, el IEEE 802.11n a 300 Mbps que opera en ambas frecuencias y
que a partir del cual se empieza a crear otros más avanzado, el llamado WiFi 5 o IEEE
802.11ac que opera en la frecuencia de los 5 GHz lo que provoca menor alcance al tener
mayor frecuencia. Actualmente se orienta el empleo del WiFi 6 con una vista más futurista
[30].
En la Capa Física se suministran un gran número de servicios a la capa de acceso al medio.
Está compuesta por dos protocolos:
Una función de convergencia de capa física capaz de realizar ajustes en las
capacidades del sistema físico dependiente del medio (PMD). Dicha funcionalidad se
realiza mediante el protocolo de Procedimiento de Convergencia de Capa Física
(PLPC), el cual precisa una forma para mapear las unidades de datos MAC hacia un
formato de tramas con dispuestos de ser transmitidas o recibidas a través de la capa
PMD entre diferentes estaciones o STATSs [31].
33
El segundo es un sistema PMD que tiene como funcionalidad establecer las
particularidades y la vía de transmisión y recepción de dos o más STATSs a través
de un medio de conducción sin cables.
En esta capa también se ejecutan las comunicaciones entre las MACs de las diferentes
estaciones usando una sucesión de puntos de acceso al servicio, donde las primitivas de
servicio serán invocadas por la capa MAC [31].
Es posible en esta capa apreciar la estructura MIB (del inglés, Management Information
Base) contenedora por definición de las variables de gestión, los atributos, las acciones y las
notificaciones requeridas para el manejo de una estación. Su labor radica en un conjunto de
variables donde se especifica la configuración y el estado de las comunicaciones de cada
estación.
Para esta capa física se establecen dos tipologías de técnicas para las transmisiones en
frecuencias de radio y una descripción para transmisiones infrarrojas [31].
Las técnicas de radio frecuencia trabajan basándose en el concepto de espectro extendido (del
inglés, Spread Spectrum, SS). El cual se fundamenta en un ensanchamiento forzado del
espectro de ancho de banda mediante el empleo de una función XOR unido a una secuencia
numérica pseudoaleatoria larga, logrando una disminución de la densidad de potencia
espectral y alcanzando una reducción de la potencia pico. No hay variación en la potencia
total transmitida pero la señal se torna más fuerte ante interferencias y ruidos ambientales.
Los dos métodos previstos en la norma IEEE 802.11 son:
- Salto de Frecuencia (del inglés, Frecuency Hoping Spread Spectrum, FHSS) que es
la forma más sencilla de modulación del espectro extendido. En su mayoría se
precisan un conjunto de saltos uniformes en el marco de una banda de frecuencia,
aunque esto no es necesario debido a que ambos extremos de la transmisión ya tienen
conocimiento del patrón de salto de frecuencia a emplear. Con esta técnica se alcanza
un elevado nivel de inmunidad a las interferencias y el ruido.
- Secuencia Directa (del inglés, Direct Secuence Spread Spectrum, DSSS), emplea un
código de pseudo-ruido generado internamente para codificar la señal digital a
34
transmitir. La ejecución del mencionado código es realizada a frecuencias varias
veces por encima que la frecuencia que emplea la señal. Esta señal, al ser
recepcionarla el otro extremo, se le realiza una decodificación empleando una réplica
local del código pseudo-ruido usado en el emisor [31].
En ambos casos, las señales SS, son transformadas en señales con baja probabilidad de
interferencia. Ese tipo de modulación es requerida por la FCC de los EEUU y la gran mayoría
de los entes regulatorios de los países para emplear las bandas de frecuencias ISM que opera
en los rangos de 2.4 GHz a los 2.483 GHz y entre los 5.725 GHz y los 5.785GHz [31].
Capa de enlace
Esta se encuentra dividida en dos subcapas:
1. Capa de control lógico de enlace (del inglés, Logical Link Control, LLC) igual a la
empleada por las redes cableadas tipo 802.3 con sistema de direccionamiento de 48
bits (dirección MAC), lo que posibilita acotar al máximo los puentes (bridges) entre
los dos tipos de red [31].
2. Capa de control de acceso al medio (MAC) o capa de acceso múltiple.
Esta técnica de acceso múltiple en IEEE 802.11 es la llamada Función de Distribución
Coordinada (del inglés, Distributed Cordination Function, DCF) que emplea el método de
Acceso Múltiple por Censado de Portadora con Prevención de Colisiones (del inglés, Carrier
Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA). Demanda de cada nodo la escucha
del medio para así saber si algún otro nodo se encuentra transmitiendo información. Mientras
el canal está ocupado el nodo debe estar a la escucha hasta que culmine la transmisión y entre
en un periodo de espera aleatorio hasta que se desocupe el canal y pueda transmitir para luego
volver a ejecutar el procedimiento. Con esto se logra una prevención del acaparamiento del
canal por algunas estaciones cuando comience la transmisión [31].
2.3.2 Estándar 802.15.4 para la tecnología de comunicación inalámbrica Zigbee
La implementación de la tecnología IoT en Zigbee se basa en el estándar 802.15.4 que
establece especificaciones para la capa Física y la sub capa de Acceso al medio (MAC), las
capas de Red y Aplicación vienen especificadas por Alianza Zigbee (Zigbee Alliance),
35
Compañía que cuenta con otras compañías tanto de desarrollo de software como de
fabricantes de semiconductores desde el año 2002. Si se trabaja con perfiles privados de
aplicaciones, los objetos de aplicación serán definidos por el fabricante o desarrollador. Este
estándar de redes de sensores permite operar a frecuencias de 2.4 GHz o 915 MHz y en los
868 MHz, mayormente usadas en Europa y Estados Unidos [32].
En esta dirección, se muestra un consumo de potencia muy bajo en relación al elevado
número de dispositivos conectados en red. Su alcance se encuentra en el rango entre los 10
m a 100 m y puede llegar a transferir datos de hasta 250 Kbps [33]. Contrario al modelo OSI
que tiene 7 capas de niveles, Zigbee emplea 4 para simplificar su arquitectura para la
configuración de una red de baja tasa de transmisión y consumo. Cada capa mediante un
SAP (del inglés, Service Access Point) se conecta con la capa adyacente. El protocolo IEEE
802.15.4a añadió tres opciones más al nivel físico (PHY) que concierne a las bandas de
frecuencia de los 500 MHz y las de los 3.1 GHZ hasta la banda de los 10 GHZ [34].
La capa de aplicación (APL) es la superior en la pila (stack) del protocolo Zigbee orientada
a la programación a objetos y está compuesta por la Estructura de Aplicación, el Objeto de
Dispositivo Zigbee (ZDO) y la Subcapa de Soporte de Aplicación (APS) [35].
La estructura de aplicación se basa en proporcionar una ayuda en forma descriptiva acerca
de cómo crear un perfil en la pila de Zigbee, logrando de esta manera que se generen perfiles
de forma estable. Cumple con otras funcionalidades especificando formatos de frames para
la transportación de datos, en una gama de datos estándares para perfiles y en la construcción
de valores claves del desarrollo rápido y eficiente de perfiles basados en atributos.
Lo referente a los objetos de aplicación es un software en un EndPoint encargado de controlar
el dispositivo Zigbee donde un solo nodo admite hasta 240 objetos de aplicación. Cada uno
de estos objetos adquiere un identificador nombrado EndPoints que se encuentra numerado
entre 1 y 240 [35].
El papel de cada dispositivo dentro de la red, ya sea un coordinador, enrutador o dispositivo
final, está definido por el ZDO, que inicia y/o responde a solicitudes de descubrimiento y
enlace, y establece una comunicación segura entre los dispositivos de red.
36
En la subcapa de soporte de aplicaciones (APS) se prestan servicios de datos para la
aplicación y los perfiles del dispositivo Zigbee además de un servicio de administración que
debe mantener los enlaces y el almacenamiento de la tabla de enlace [35]. El plano para la
gestión del ZDO favorece la conexión entre las subcapas APS y la capa de red con ZDO,
llegando a permitir que ZDO sea el encargado de la seguridad de los mensajes y solicitudes
de acceso a la red.
La capa de Red (NWK) opera con la dirección de red y el enrutamiento cuando se solicitan
acciones en la capa de Control de Acceso al Medio. Sus labores son las de iniciar la red,
asignar las direcciones de red, implementación de descubrimientos de rutas, enrutamiento de
mensajes, así como aplicar la seguridad en la red y agregar o eliminar los dispositivos de red
[35].
La Capa de Control de Acceso al Medio (MAC) está destinada para el proporcionamiento
de las comunicaciones de manera confiable entre un nodo y sus vecinos más cercanos
logrando que se eviten colisiones en la red y se mejore la eficiencia. Esta capa también se
encarga del ensamblado y descomposición de paquetes de frames y datos.
En la Capa Física (PHY) es proporcionado la interfaz para el medio de transmisión. Esta
capa cuenta con dos subcapas que funcionan en dos rangos de frecuencias diferentes, la más
baja cubre la banda europea (868 MHz) y la empleada en EE.UU y Australia (915 MHz),
mientras que la subcapa de frecuencia más alta se usa virtualmente en todo el mundo que es
la de 2.4 GHz [35].
2.3.3 Estándar Z-Wave Alliance ZAD12837/ITU-T G.9959 para la tecnología de
comunicación inalámbrica Z-Wave
La tecnología Z-Wave está fundamentado bajo el estándar Z-Wave Alliance ZAD12837/ITU-
T G.9959 [36]. En la recomendación que hace la UIT para Z-Wave se aclara que esta
tecnología se creó con las características específicas para que opere con la llamada licencia
libre en aplicaciones industriales, científicas, médicas (Industrial, Scientific, Medical, por
sus siglas en inglés, ISM) y no interfiera con otras al trabajar por debajo de la banda de
frecuencia de 1 GHz como ocurre con WiFi, BLE o Zigbee que pueden interrumpirse en los
37
2.4 GHz. Las capas PHY, MAC y LLC están especificadas para trabajar en un rango reducido
de una banda estrecha de las radiocomunicaciones. Se especifican frecuencias en la
mencionada recomendación solo para algunas regiones del planeta, así como ancho de banda
y canales disponibles [26].
Capa radio o capa física
El medio por el que viajan los mensajes entre transmisor y receptor es el aire, las ondas de
radiofrecuencia se propagan de forma esférica, o sea, en todas direcciones. Existen
restricciones de tipo radioeléctrico respecto a la potencia de emisión, compatibilidad
electromagnética, canales utilizables, ciclo de trabajo, que son de obligatorio cumplimiento.
Estas medidas ayudan a la conservación y vida útil de los equipos sobre todo si trabajan con
baterías [37].
Cada región en el mundo tiene asignada bandas de frecuencias de trabajo, ellas son:
Región Frecuencias (MHz)
Europa 868.42
India 865.2
Malasia 868.1
Rusia 869.0
CEPT, China, Emiratos Árabes Unidos,
Singapur, Sudáfrica
868.4
Canadá, EEUU 908.4
Hong kong 919.8
Australia, Brasil, Nueva Zelanda 921.4
Japón 951-956
Tabla 1. Frecuencias de Z Wave a nivel mundial. Fuente: Elaboración propia, 2019.
Z Wave usa topología de malla apoyándose en coordinadores para encaminar las tramas por
nodos intermedios denominados esclavos. Se clasifican en:
Esclavo estándar: No tiene acceso a la tabla de enrutamiento, por lo que no se puede
comunicar directamente con otro esclavo. Su funcionalidad en términos de red es limitada.
Esclavo de encaminamiento: Tiene acceso parcial a la tabla de Enrutamiento+, así que tiene
38
la capacidad de enviar información no solicitada a un cierto número de nodos predefinidos
por el controlador. Pertenecen a este grupo de dispositivos los sensores de presencia, sensores
de apertura, termostatos, etc. Son dispositivos que pueden desplazarse y están alimentados
por baterías [37].
Z Wave es una tecnología diseñada para transferir pequeñas cantidades de datos, lo cual la
hace ideal para aplicaciones en domótica. Como se ha señalado, opera a 868.42 MHz en
Europa y puede funcionar a diferentes tasas de transmisión 96 Kbps o 40 Kbps, llegando los
chips de última generación a velocidades de 100 Kbps. Usa modulación GFSK por
desplazamiento con frecuencia Gaussiana y código sus bits mediante el código Manchester.
De las funcione más importantes de esta capa están la modulación y la codificación, así como
la inserción de un patrón conocido (preámbulo) utilizado para la sincronización en el
receptor. También se encarga de la asignación de canales de RF como se desee. La entrada
para configurar la capa PHY de Z Wave es la velocidad de datos (9.6 o 40 o 100 Kbps) [37].
La Capa de Control de Acceso al Medio (MAC)
Esta posee un mecanismo para evitar colisiones logrando evitar que unos nodos empiecen la
transmisión mientras otros nodos transmiten. Una vez que consigue permitir que los nodos
se mantengan en modo de recepción mientas no estén transmitiendo y poder aplazar una
transmisión si la capa MAC está en este momento en el período de datos en el receptor, se
alcanza la prevención de colisiones. Esta capa es independiente de la frecuencia, la
modulación y el medio de RF, pero demanda acceso a la trama de datos cuando se recibe o a
toda la señal en forma binaria.
La transmisión de la trama se demora un número aleatorio de milisegundos y el flujo de datos
tiene codificación Manchester. La capa MAC utiliza formatos de tramas basados en la
configuración del canal [37].
El campo homeID tiene 4 bytes de longitud y en él se especifica un único identificador de
red. En Z Wave todos los nodos tienen el mismo HomeID que es asignado por un nodo
primario al inicio. Existen otros campos como el Source Node ID de 8 bits que juntoal
HomeID y el NodeID logran identificar al nodo de la trama originada. El campo Frame
Control tiene longitud de 16 bits y define el tipo de frame y otros indicadores de control
39
Header type subfield que define conversión simple multidifusión, ack, entre otros. Length
es un campo de 1 byte que indica la longitud de toda la MPDU en bytes. Existen otros campos
como Sequence Number, Destination NodeID, Data Payload y FCS. Este último emplea una
suma de verificación de trama de 8 bits para el verificado de la corrección de errores de trama
en el receptor [37].
Capa de Transporte
Esta capa es principalmente responsable de los reconocimientos de paquetes, la
retransmisión, la reactivación de nodos de red de baja potencia y autenticación de origen de
paquetes. La capa de transporte o capa de transferencia posee 4 tipos básicos de tramas. Estos
se utilizan para transferir comandos en la red.
Singlecast frame type: donde se transmite a un nodo de Z Wave especifico. Se confirma la
trama para que el transmisor tenga conocimiento de si la trama es recibida o no. Si esta frame
o su ACK se pierden o dañan, se retransmite la única frame [37].
ACK frame type: Es una trama de transmisión única donde en la parte de carga útil de datos
no existe.
Multicast frame type: Estas tramas se transmiten a más de un nodo, es decir, máx. de 232
nodos. Este tipo de frame no admite el concepto de reconocimiento. Por lo tanto, este tipo no
se utiliza para una comunicación confiable.
Broadcast frame type: Estas tramas son recibidas por todos los nodos en una red y no son
aceptados por ningún nodo [37].
Capa de red
En esta capa se controla todo el enrutamiento de cuadros desde un nodo hacia otro. Tanto los
controladores como los nodos llamados esclavos, participan en el enrutamiento de cuadros.
La capa de red tiene las labores siguientes [37]:
Transmisión de un frame con la lista de repetidores correcta,
Escaneo de topología de red,
Mantenimiento de la tabla de rutas en el controlador.
40
Capa de aplicación
Aquí se realiza una decodificación y ejecución de los comandos en una red Z Wave. El
controlador mantiene la tabla de enrutamiento que contiene valiosa información de los nodos
de la red. Dicha tabla es construida por el controlador primario basándose en la información
adquirida de todos los nodos de la red. Esta capa se encarga del control de las cargas útiles
en las tramas recibidas o por transmitir [37].
2.4 Estrategias de selección para la implementación de redes IoT domésticas
(alternativas en cuanto a topología, tecnología y seguridad)
El procedimiento de selección de manera general se orientó por las características de la
investigación. Se seleccionaron tecnologías, alternativas y topologías de interés para el
investigador que, aunque no son representativas se ajustan a una cuidadosa y controlada
elección para la modelación de su desempeño en las redes IoT. La estrategia de selección se
sustentó en:
- La capacidad operativa del proceso de modelación, análisis y comparación de los
datos
- Accesibilidad en función del software modelador.
- Interés del investigador en el estudio de las tecnologías, topologías y seguridad.
Esta estrategia permitió la identificación de tecnologías, topologías y alternativa que pudieran
aportar datos suficientes para desarrollar una completa modelación y evaluación de las redes
IoT según los criterios adoptados, que se articularon en 3 ejes como se muestra en la tabla 3.
41
Tabla 3: Estrategias de selección para la implementación de redes IoT domésticas. Fuente: Elaboración
propia, 2019
2.4.1 Tecnologías de comunicación inalámbricas
La arquitectura IoT es fundamentada en redes WSN que concibe que los sensores inteligentes
son los encargados de permitir en primer lugar, el intercambio de información y, en segundo
Eje Estrategia y criterios de
selección
Muestra Selección
Tecnologías
corto alcance
aplicación doméstica
alto índice de usabilidad
bajo consumo de energía
posibilidad de
modelación en el software
OPNET
Bluetooth
Zigbee
Z-Wave
6LoWPAN
Thread
WiFi
Cellular
NFC
Sigfox
Neul
LoRa
Zigbee
Z-wave
WiFi
Alternativas disminución de
cableado
seguridad de red
Red de Área
Personal Inalámbrica
Red Inalámbrica de
Área Extendida
Red de Área Local
Inalámbrica
Red de Área
Local
Inalámbrica
Topologías
conexión inter nodos
protocolos de
enrutamiento dinámicos
altos niveles de fiabilidad
y tolerancia a fallos y
daños
altos niveles de
aplicabilidad para redes
inalámbricas
Punto a punto
En bus
En estrella
En anillo
En malla
En árbol
Topología híbrida
Cadena margarita
En malla
42
lugar, mediante los módulos de comunicación inalámbrica, enviar los datos de telemetría. De
ahí que existan diferentes alternativas en las tecnologías de comunicación inalámbricas con
diferencias en sus características asociadas a Bluetooth, Zigbee, Z-Wave, 6LoWPAN,
Thread, WiFi, Cellular, NFC, Sigfox, Neul, LoRa tal y como se muestra en la tabla 4, anexo
2 [38].
El desarrollo de estas tecnologías y el auge del IoT ha orientado la adaptación y la innovación
del mercado mundial. En este sentido, el proceso de transición actual, ha permitido la
organización de las diferentes tecnologías en 4 grupos fundamentales [38]:
1. Tecnologías tradicionales de conectividad inalámbrica: se incluyen las tecnologías de
alto consumo energético con amplio soporte y cobertura, WiFi y la conectividad celular
(desde el 2G hasta el 4G).
2. Tecnologías de corto alcance con despliegue de repetidores y pasarelas: constituyeron
tecnologías claves en el inicio de las IoT. Se consideran poco eficaces en tanto la
responsabilidad de operación de red recaen en el cliente final. En este grupo se
encuentran ZigBee, Z-Wave, 6LowPAN.
3. Tecnologías de corto alcance con conectividad entre el objeto conectado y dispositivos
móviles: Son claves para la realización de balizas de costo bajo en el intercambio de
información, fundamentalmente con los móviles, se integran en este grupo el BLE
(Bluetooth Low Energy) y NFC.
4. Tecnologías nativas de comunicación para el IoT: Son de muy bajo consumo, largo
alcance y bajo costo de dispositivos, por lo que presentan en la actualidad gran
popularidad. Se destacan en este grupo Sigfox y LoRa.
2.4.2 Criterios de selección
En el proceso de selección de las tecnologías se identificaron como criterios específicos para
la selección de las tecnologías:
1. Tecnologías de comunicación inalámbricas tradicionales de corto alcance
2. Tecnologías con evidencias en su aplicación doméstica
3. Tecnologías con alto índice de usabilidad
43
4. Tecnologías con bajo consumo de energía
5. Tecnologías con posibilidad de modelación en el software OPNET
En correspondencia, fueron seleccionados para el cumplimiento de los objetivos de la
investigación 3 tecnologías de comunicación inalámbricas: Zigbee, Z-Wave y WiFi, las
cuales se describen a continuación:
Zigbee
Descripción general
Tecnología que posee un bajo consumo y alcance, madurez media, alta disponibilidad,
escalabilidad y seguridad aun cuando presenta baja usabilidad. Se considera como una
tecnología de radiodifusión digital.
Presenta una amplia experiencia en su uso, específicamente en contextos domésticos e
industriales, precisamente por su conectividad en dispositivos fijos, portátiles y móviles.
Cumple con las especificaciones de tasas de envío bajas, tiene una capacidad de datos de
hasta 250 kbps en chips de primera generación, soporta hasta 65 536 dispositivos. Sus
mercados potenciales son los espacios residenciales, comerciales e industriales.
Fortalezas
- Tiene alta capacidad para soportar un gran número de nodos.
Limitaciones
- Presenta un alcance de cobertura cercano a los 100 m, poco ideal para proyectos de
IoT con dispositivos distantes a conectar.
Z-Wave
Descripción general
Tecnología basada en chip que facilita la transmisión y recepción de instrucciones en forma
de señales de comando. Permite controlar funciones de iluminación, seguridad, acceso,
sensores, alarmas y comunicación entre dispositivos, ya sea tanto en aplicaciones industriales
44
como domésticas. Su respaldo por la industria Z-Wave Alliance permite la constante
vigilancia de compatibilidad entre los productos. Tiene una capacidad de datos de 40 kbps
en chips de segunda generación. Soporta hasta 232 dispositivos, aunque posibilita la unión
de redes. Sus mercados potenciales son los espacios residenciales al distribuir
estratégicamente los nodos. Es accesible, de fácil implementación y los costos de
mantenimiento y consumo de energía son bajos.
Fortalezas
- El bajo consumo de energía permite el funcionamiento con base en pilares ordinarias,
en intervalos grandes de tiempo.
Limitaciones
- Presenta problemas de seguridad en la red.
WiFi
Descripción general
Tecnología que presenta alto consumo, bajo alcance, muy alta madurez, baja disponibilidad,
seguridad baja y alta usabilidad. Tiene excelente velocidad y rango de transmisión
Fortalezas
- Es la tecnología más usada a nivel mundial durante años.
Limitaciones
- El enrutamiento se realiza desde un punto central (servidor) que limita la ubicación
de los dispositivos alrededor de éste.
- No está diseñado como protocolo de bajo consumo, por lo que no es funcional para
dispositivos con funcionamiento con batería
2.4.3 Alternativas
La alternativa para la conectividad inalámbrica seleccionada en la presente investigación fue
Red de Área Local Inalámbrica o comúnmente conocida como WLAN (del inglés, Wireless
45
Local Area Network), que es un sistema de comunicación inalámbrico encargado de
disminuir las conexiones cableadas. Se basa en la utilización de ondas de radio para llevar la
información entre dos puntos sin el empleo de algún medio guiado. Durante el presente
trabajo se estará haciendo uso y referencia a dicha tecnología.
La investigación no se sustenta en otras redes como son la Red de Área Personal Inalámbrica
(del inglés, Wireless Personal Area Network, WPAN), pues no es más que una red de
computadoras para la comunicación entre diversos dispositivos (computadoras, puntos de
acceso a internet, teléfonos celulares, dispositivos de audio, etc.) próximos al punto de acceso
y presenta corto alcance y uso personal. Se suma a este grupo, además, la Red Inalámbrica
de Área Extendida (del inglés, Wireless Wide Area Network, WWAN), la cual se diferencia
de una WLAN precisamente por el empleo exclusivo de la tecnología de red celular de
comunicaciones móviles como WiMAX, UMTS (del inglés, Universal Mobile
Telecommunications System), GPRS, EDGE, GSM, HSPA, entre otras para la transferencia
de datos [39].
La selección de la red WLAN se fundamenta además en la seguridad que brinda al cumplir
las siguientes especificaciones:
Confinación de las ondas de radio a partir del empleo de antenas direccionales y
configuración adecuada de la potencia de transmisión de los puntos de acceso.
Mecanismo de autenticación en doble vía, que permita verificar la conexión a la red
correcta, y su autorización para su acceso.
Viaje cifrado de los datos por el aire, a fin de evitar la captura de datos mediante escucha
pasiva de equipos no autorizados a usar la red.
2.4.4 Topologías
Las tecnologías seleccionadas (WiFi, Zigbee y Z-Wave) pueden ser modeladas en el software
seleccionado a partir de varios tipos de redes: estrella, árbol y malla o mesh; las cuales
difieren en el estándar, frecuencia de operación, consumo de energía, modo de conexión,
aplicaciones y particularidades tecnológicas.
46
La topología de red concebida como el mapa físico o lógico de una red para el intercambio
de datos presenta diferentes tipos, muchos de los cuales no son incluidos en el software
modelador. En este sentido, los tipos de redes estrella, árbol y malla se identifican como
topologías convencionales capaces de determinar la configuración de las conexiones entre
los nodos.
Topología Punto a Punto
La topología punto a punto refleja el más sencillo enlace. Existe la topología punto a punto
conmutada que se conoce como la pasarela básica de la telefonía convencional. Sin embargo,
su importancia radica en que la comunicación se lleva a cabo sin obstáculos entre ambos
puntos finales. En la comunicación solo entre dos nodos, los dispositivos en red actúan como
pares entre sí, en este proceso uno toma el papel de emisor y el otro de receptor en diferentes
situaciones [40].
Los enlaces que interconectan los nodos de esta red son, según sus características:
- Simplex: cuando se efectúa en un solo sentido.
- Half-duplex: cuando se realiza en ambos sentidos alternativamente
- Full-duplex: cuando se hace en ambos sentidos simultáneamente
Entre las ventajas asociadas se encuentra la facilidad de su instalación y operación, el empleo
de redes de largo alcance (WAN), la conexión entre los nodos puede llevarse a cabo por varios
sistemas de transmisión a diferentes velocidades, incluso en paralelo.
Sus limitaciones están enfocadas por la administración no centralizada, poca seguridad, la
posibilidad de que no todos los dispositivos puedan actuar como cliente y como servidor, la
baja escalabilidad y la reducción de su rendimiento.
Topología en Estrella
Reduce la posibilidad de fallo de red conectando todos los nodos a un nodo central, el cual
reenvía todas las transmisiones recibidas de cualquier nodo periférico a todos los nodos
periféricos de la red, algunas veces incluso al nodo que lo envió. Todos los nodos periféricos
se pueden comunicar con los demás transmitiendo o recibiendo del nodo central solamente
un fallo en cualquier nodo lo puede dejar aislado, pero aun así los demás permanecerían
intactos.
47
Mayormente se emplea en redes LAN que tienen un conmutador (switch) o un concentrador
(hub), siendo uno de los 2 el nodo central por donde pasaría toda la información [40].
La desventaja está en la enorme carga que cae toda sobre el nodo centralizado. No se
recomienda para redes grandes porque al aumentar notablemente los nodos se harán enormes
la cantidad de tráfico a soportar, llevándola también a tener mayor vulnerabilidad ante
ataques. Si el nodo central falla, toda la red deja de transmitir. También es costosa ya que
requiere más cables que otras topologías.
Como ventajas tiene una rápida reconfiguración, cuenta con sistema que permite agregar
equipos nuevos de manera fácil y a su vez una centralización de la red. También previene los
daños o conflictos fácilmente [40].
Topología en Árbol
Se puede presentar como una colección de redes estrella en orden jerárquico. Cuenta con
nodos periféricos individuales que solicitan las opciones “recibir deˮ y “transmitir aˮ otro
nodo único. Buscando una vía para aliviar el tráfico que se necesita retransmitir hacia todos
los nodos, se desarrollaron una especie de nodos centrales más avanzados los cuales
mantienen un listado de las identidades de los sistemas conectados.
De forma general una variación de la red en bus cuando se trabaja en modo difusión
propagándose los datos a todas las estaciones, el fallo de un nodo no provoca una interrupción
en la comunicación y además se comparte el mismo canal de comunicaciones.
Como ventajas tiene un cableado para segmentos individuales tipo punto a punto y de fácil
resolución de fallos. Las principales desventajas están dadas por tener una configuración
difícil y además demanda de un alto requerimiento de cables, si se cae el segmento principal
se cae toda la red [32].
Topología en Bus
Caracterizada por tener un único canal de comunicaciones denominado bus, troncal o
backbone al que se conectan los dispositivos. Tiene como ventajas la facilidad de
implementación y ampliación, no ocupa mucho espacio y su arquitectura es simple. Por otra
48
parte, tiene como limitaciones al número de equipos dependientes de la calidad de la señal,
el desempeño disminuye con el aumento de la red, restricciones de las longitudes físicas del
canal y su reconfiguración y aislamiento de fallos puede tornarse complejo [40].
Topología en Anillo
Cada estación cuenta con una sola conexión de entrada y otra de salida de anillo. Las
estaciones tienen receptor y transmisor que funcionan como traductores enviando la señal
hacia la siguiente estación. Dos anillos permiten el envío de datos en ambas direcciones lo
que crea redundancia en la red y tolerancia a fallos.
Sus ventajas están dadas por tener una arquitectura muy sólida, facilidad para el fluido de los
datos y por la no decadencia del rendimiento cuando muchos usuarios usan la red. Como
desventajas presenta la degradación del canal a medida que se amplía la red, la poca
privacidad en el envío de los archivos y el difícil diagnóstico y reparación de problemas [40].
Topología Híbrida o Mixta
Se sustenta en varias topologías como árbol, estrella-estrella, bus-estrella para su conexión.
La complejidad de la solución de red y el aumento de dispositivos constituyen las bases para
su implementación y establecimiento como topología. Entre las principales desventajas se
identifican su alto costo en la administración y mantenimiento, así como la inversión
adicional en equipos para el logro de la conectividad [40].
Criterios de selección de la topología:
- Topología de red con conexión inter nodos sin requerimiento de nodo central
- Topología con protocolos de enrutamiento dinámicos
- Topología con altos niveles de fiabilidad y tolerancia a fallos y daños
- Topologías con altos niveles de aplicabilidad para redes inalámbricas
En correspondencia con los criterios de selección asumidos en la investigación, se identificó
la red malla o mesh, la cual será empleada en los escenarios de simulación y cuyas
características se presentan a continuación.
Red malla o mesh
49
Descripción general
Topología de red que permite la conexión entre todos los nodos que la componen, lo cual
facilita la transmisión de mensajes de uno a otro por diferentes caminos. Su conexión
completa no supone interrupción en las comunicaciones, en tanto cada servidor tiene sus
propias conexiones con los demás servidores [32].
Ventajas
- No requiere de un nodo central, lo cual reduce el riesgo de daños y fallos y aumenta
la posibilidad de mantenimientos periódicos.
- Tiene posibilidades de implementación de protocolos de enrutamiento dinámicos
exceptuando escenarios en los que el tamaño y/o carga de la red son muy variables,
o se requiere una tolerancia a fallos prácticamente nula.
- Es una topología de red muy confiable.
- Ofrece total redundancia y por tanto una fiabilidad y tolerancia a fallos superiores.
- Es recomendable y más factible su aplicación en tecnologías inalámbricas dado el
costo de su instalación e infraestructura
Desventajas
- El costo de la red puede aumentar en los casos en los que se implemente de forma
alámbrica.
2.5 Descripción del software y los escenarios a emplear para la simulación de las redes
IoT para diferentes tecnologías.
Herramienta de simulación, OPNET
Desde hace ya un tiempo se avizora que en un futuro no muy lejano aparezcan nuevas
máquinas y dispositivos con un alto consumo de recursos tanto en el nivel de red como para
sí mismos. Provocando así funcionamientos defectuosos debido a la baja capacidad en la
infraestructura de la red y sus equipos. La realización de un previo análisis que pueda
comprobar el impacto de dichos servicios podrá evitar males mayores concernientes a
grandes pérdidas económicas y la insatisfacción de los usuarios de la red [34].
50
Para la realización de este trabajo se escogió la herramienta OPNET (del inglés, Optimized
Network Engineering Tools) Tecnologies, Inc. es un proveedor que ayuda en la gestión y
rendimiento de redes y aplicaciones. Fundada en 1986 con sede residente en Bethesda,
Marylan y oficinas en Carolina del Norte, California y Texas, además de agencias
internacionales en Slough, Reino Unido, París, Gante, Bélgica, Alemania y Singapur. A
finales de 2012, OPNET pasó a manos de Riverbed que es una compañía tecnológica creada
en mayo de 2002 por Jerry Kennelly y McCanne Steve en San Francisco, California,
destinada a mejorar el rendimiento de las redes sin finalidad de lucro. Dentro de la variedad
de productos con los que cuenta OPNET está OPNET Modeler para el modelado y la
simulación [41]. Este software ya ha sido probado en variados entornos por diferentes
clientes en el mundo, empresas y proveedores de servicios.
OPNET Modeler
Modeler es una opción orientada a la simulación de redes de telecomunicaciones, creado por
OPNET. Se convirtió en una herramienta dinámica y discreta para la realización de
simulaciones deterministas o aleatorias apoyadas en la teoría de redes de colas. Se dice
dinámico ya que la simulación en el sistema evoluciona con el tiempo y discreta porque su
comportamiento solo cambia en instantes de tiempos concretos, o sea, en eventos [42].
Se define como aleatoria cuando intervienen variables aleatorias, sin embargo, es
determinista cuando ocurre lo contrario, es decir, no hay variable aleatoria alguna.
Este simulador es orientado a objetos, lo cual lo convierte en unas de sus principales
características porque le permite interactuar con el usuario fácilmente, brindándole una fácil
interpretación y creación de los escenarios configurables.
2.5.1 Simulación de redes inalámbricas mediante OPNET
El objetivo consiste en evaluar el desempeño de una red doméstica inalámbrica, apoyándose
en OPNET Modeler. Se emplean 3 escenarios, uno para cada tecnología a simular: Zigbee
con 20 nodos funcionando como sensores, Z-Wave con 30 nodos y WiFi con 23 nodos. Es
necesario lograr el trabajo en la red sin que esta se sature o bloquee en algún momento
evitando así molestias al usuario final.
51
Para la realización de la simulación se utiliza el software OPNET Modeler 14.5 – Educational
Version, que es la versión educativa de OPNET. Esta edición de OPNET tiene limitación en
cuanto al número de eventos a simular (50 millones) por lo que, si al ejecutarse la simulación
sale una alerta que indique que los eventos totales superaron el límite, debe intentarse con
una simulación de menor duración.
Primer escenario
La conectividad es de los aspectos primordiales en toda red de comunicaciones. Una red
física es fácil de ver, solo con mirar si está el cable o no conectado correctamente entre los
dos equipos. En una red inalámbrica hay que establecer parámetros de conexión que no se
ven a simple vista. Este escenario tendrá como función establecer la comunicación de los
nodos (sensores) que enviarán información del hogar a un servidor en el que se analizará su
comportamiento.
Preparación de escenarios del proyecto.
Se utiliza el asistente para la creación del escenario tal y como se muestra en la figura 6,
anexo 3 donde el asistente da las opciones de crear un escenario vacío o importarlo como
topología inicial, en este caso se selecciona crearlo vacío para empezar desde 0.
Luego el asistente pide que se le indique la escala del proyecto, se puede trabajar desde redes
muy pequeñas hasta redes a escala mundial. Se selecciona la escala “Office” y se especifica
tamaño de la oficina que sería de 100x100 metros. Para finalizar hay que seleccionar las
tecnologías a emplear en la red, se selecciona red Zigbee, luego muestra los valores
seleccionados para su verificación tal y como se muestra en Figura 7, Anexo 4.
Una vez terminados los pasos para la creación del escenario, ya todo está listo para comenzar
a añadir los objetos que aparecen en la paleta de objetos a la derecha de la ventana, tal y como
se muestra en Figura 8, Anexo 5.
Para el segundo y tercer escenario se hace de manera similar, pero cambiando la tecnología
a implementar en el caso de la WiFi ya que Z-Wave tiene varias similitudes a Zigbee y se
creará a partir de este haciéndole las modificaciones que correspondan.
52
Escenario Z-Wave
Este escenario se crea a través de un duplicado de la red Zigbee. Luego se completa su
creación añadiendo más nodos hasta llegar a la cantidad deseada, así como el cambio en la
configuración de parámetros de potencia, topología y frecuencia de operación.
Escenario WiFi
Para esta tecnología después de un nuevo proyecto, con la ventana de proyectos en blanco,
en la pestaña Topology se selecciona Deploy Wireless Network. Ahí sale una ventana de
bienvenida al Wireless Network Deployment donde se configura el tipo de WLAN, se
seleccionó infraestructura, se ajustaron los parámetros de potencia y modo de operación. Se
escoge como frecuencia de trabajo 2.4 GHz y el estándar 802.11g, se seleccionan las celdas
según la cantidad de puntos de acceso a emplear que para este caso es uno solo. Se le da
siguiente para seleccionar los nodos, 23 para este escenario, luego se continúa presionando
el botón siguiente hasta finalizar la configuración de la red.
53
CAPÍTULO 3 Evaluación de redes IoT
Parámetros para la evaluación del desempeño de redes IoT
Los parámetros a nivel de red para la calidad de servicio incluyen retardos de punta a punta,
perdidas de paquetes, razón de transferencia, entre otros [43]. Para evaluar las redes IoT
designadas en esta investigación, se tendrán en cuenta los parámetros Throughput y Delay
ya que estos son los que miden el desempeño de la red en el software OPNET.
La razón de transferencia (Throughput) se define como la cantidad de datos que pueden ser
transferidos a través de un canal en un determinado periodo de tiempo. Teóricamente indica
la máxima capacidad de una conexión, pero se puede ver afectada por el retardo que se
introduce en la red.
Este concepto arrastra consigo varias definiciones a tener en cuenta como la de Razón o tasa
de datos del sistema, Razón de datos a nivel de aplicación y Razón de datos de transacción
[43].
Por otra parte, está también el retardo de la red, que viene siendo el tiempo consumido por
un mensaje al ser enviado y llegar hasta su destino. El Delay se considera como el retardo de
los extremos de todos los paquetes. Dicho retardo se afecta por la pérdida de la red, con una
tendencia a infinito cuando ocurre congestión en la red.
3.1 Simulación de diferentes escenarios IoT
Para la evaluación del desempeño de redes Zigbee, Z-Wave y WiFi se utilizó el software
“OPNET Modeler 14.5 – Educational Version”, que ofrece útiles herramientas para el
modelado y simulación de cada una de dichas redes.
3.1.1 Descripción del escenario de la simulación para red Zigbee
Para este escenario se ubicaron 20 nodos fijos que funcionan como sensores con 4 routers y
un coordinador, completando así la estructura de esta red con topología mesh. Con Packet
reception power threshold de -85dBm, frecuencia de trabajo de 2450 MHz y potencia de
transmisión de 0.05 W.
54
Figura 9. Escenario red Zigbee con 1 coordinador, 5 routers y 20 nodos
3.1.2 Descripción del escenario de la simulación para red WiFi
Para este escenario se configuró una red con 23 nodos conectados a un AP. Los nodos van a
tener servicio de tráfico tipo background, en las características físicas tiene secuencia directa,
razón de datos de 11 Mbps, la potencia de transmisión de 0.030 W y -95 dBm de Packet
reception power threshold.
Figura 10. Escenario red WiFi con un AP y 23 dispositivos
55
3.1.3 Descripción del escenario de la simulación para red Z-Wave
En el escenario de la tercera red empleada, partiendo de que Z-Wave y Zigbee comparten el
mismo estándar y principio de funcionamiento, se le realizó una modificación en los
parámetros a la red Zigbee para lograr un modelado y simulación de Z-Wave. Esta
modificación está dada a que la tecnología no aparece explícita en la herramienta Opnet. De
tal forma se modificó en la configuración algunos de los parámetros para obtener las
características de la red deseada. Se trabajó con un Packet reception power threshold de -85
dBm, la frecuencia de operación seleccionada fue de 868 MHz y la potencia de transmisión
de 0.05 W.
Figura 11. Escenario de red Z-Wave con 30 nodos y 3 routers
56
3.2 Evaluación del desempeño ante diferentes tipos de tráficos
Descripción:
La evaluación del desempeño de las redes seleccionadas se realizó a partir de los parámetros
Throughput y Delay. Para el caso de Zigbee y Z-Wave serán bastante parecido debido a que
sus características son muy semejantes como se explica en epígrafes anteriores.
Análisis de los resultados:
El desempeño de la red Zigbee se muestra en la Figura 12a) y b), a partir del experimento
realizado con 20 dispositivos en una corrida de 15 minutos.
En la Figura 12a) se muestra el Delay de la red que se comporta de manera lineal y creciente.
Ello evidencia que desde que se comienza a enviar un alto tráfico de datos a cada uno de los
nodos, los retardos son añadidos a los retardos fijos de transmisión, excediendo la capacidad
de la red tendiendo hacia valores infinitos.
En la Figura 12b) se muestra el Throughput de dicha red el cual no supera los 85 Kbps
manteniéndose un valor bajo como se esperaba. Se aprecia un desvío del comportamiento
ideal en tanto se muestra que para cargas ligeras la razón de transferencia y la utilización de
la red se incrementan hasta 60 kbps aproximadamente. Luego el throughput se incrementa,
pero de forma más lenta por aumentos de carga en la red, entrando en un estado de congestión
moderado. Este estado se debe, entre otros factores, a que la situación de cada nodo no es
uniforme y a medida que la carga se incrementa, la red tiende a balancear el enrutamiento de
paquetes hacia áreas de más baja congestión, por lo que se incrementa el número de mensajes
de enrutamiento entre los nodos. A partir de los 80 kbps se muestra un desempeño de la red
en correspondencia con el comportamiento ideal sin llegar a colapsar la eficiencia de la red.
57
Figura 12. Simulación de red Zigbee vs comportamiento ideal de la red. Fuente: Elaboración propia,
2019
(a) Delay vs Comportamiento ideal
(b) Throughput vs Comportamiento ideal
El desempeño de la tecnología Z-Wave se muestra en el experimento que se realizó con 30
dispositivos a partir de una varianza en Zigbee. La simulación fue de 5 minutos para el Delay
y 15 minutos para Throughput, según se muestran en la Figura 13a) y b) respectivamente.
El Delay se comportó de manera creciente con pequeñas variaciones que evidencian
intervalos de alto tráfico de datos que exceden la capacidad de la red al añadirse a los retardos
fijos de transmisión, su mayor decrecimiento fue de 9 segundos según indica el experimento,
tal y como se muestra en la Figura 13a).
El Throughput se desarrolló de forma creciente hasta los 120 Kbps y luego se mantuvo casi
constante con un valor no muy superior, tal y como se muestra en la Figura 13b). Su
desempeño es similar al de la tecnología Zigbee. No obstante, se muestra un aumento en la
razón de transferencia de la red hasta los 85 kbps aproximadamente. Luego hay un intervalo
58
con un ligero aumento producto al estado de congestión moderado de la red entre los 85 y
los 115 kbps. A partir de los 120 kbps la red tiende a balancear el enrutamiento de paquetes
mostrando un desempeño acorde al modelo ideal.
Figura 13. Simulación de red Z-Wave vs comportamiento ideal de la red. Fuente: Elaboración propia,
2019
(a) Delay vs Comportamiento ideal
(b) Throughput vs Comportamiento ideal
El experimento en relación a la tecnología WiFi tipo infraestructura, se realizó con 23
dispositivos móviles para una simulación de 10 minutos en el análisis de su desempeño.
En la figura 14a) se muestra que el Delay se comporta de forma constante con valor
aproximado de 0.28 milisegundos. Este comportamiento se debe que aun cuando todas las
personas están en casa y conectados a la red la carga no produce grandes retardos y aumentos
59
en la cola de cada nodo. El experimento indica que no existe un exceso en la capacidad de la
red al estar el retardo de forma constante.
En la Figura 14b) al iniciar la prueba el Throughput crece aceleradamente hasta alcanzar un
máximo de 240 kbps. Desde ese punto la razón de transferencia decrece rápidamente hasta
80 kbps debido a una congestión severa en la que las técnicas de control se enfocan en limitar
la longitud de las colas en los nodos para evitar un colapso en la eficiencia de la red. Logrado
el objetivo se presenta otro crecimiento acelerado que alcanza los 150 kbps. Progresivamente
se llena el almacenamiento de los nodos provocando abundantes retransmisiones de los datos,
en la cual la razón de transferencia va disminuyendo hasta alcanzar una estabilización en el
envío de los paquetes aproximadamente en 10 kbps.
Figura 14. Simulación de red WiFi vs comportamiento ideal de la red. Fuente: Elaboración
propia, 2019
(a) Delay vs Comportamiento ideal
(b) Throughput vs Comportamiento ideal
60
Tecnologías
Zigbee Z-Wave WiFi
Pa
rám
etro
s
Del
ay
Curva de
desarrollo
Lineal y creciente
Creciente con
variaciones de
crecimiento y
decrecimiento de
aproximadamente 9
segundos
Constante
Sin exceso en la
capacidad de red
Capacidad
de red
Exceso en la
capacidad de red
Exceso en la
capacidad de red
Sin exceso en la
capacidad de red
Th
rou
ghp
ut
Hasta 60 Kbps
Sin congestión
De 60 a 80 Kbps
Congestión
moderada
A partir de 85
Kbps
Sin congestión
Constante con
igual
comportamiento al
de una red ideal
Hasta 85 Kbps
Sin congestión
De 85 a 115 Kbps
Congestión moderada
A partir de 120 Kbps
Sin congestión
Constante con igual
comportamiento al de
una red ideal
Hasta 240 Kbps
Acelerado
Sin congestión
De 240 a 80 Kbps
Decrece
Congestión severa
De 80 a 150 Kbps
Acelerado
Sin congestión
De 150 a 10 Kbps
Decrece
Congestión severa
A partir de 10
Kbps
Constante
Sin congestión
Tabla 5: Comparación de los resultados del desempeño de las tecnologías Zigbee, Z-Wave y WiFi.
Fuente: Elaboración propia, 2019
La comparación de los resultados del desempeño de las tecnologías seleccionadas muestra
variaciones con respecto al comportamiento ideal de una red. Con respecto al parámetro
retardo se evidencian que las curvas de desarrollo son diferentes entre sí, aun cuando las
tecnologías Zigbee y Z-Wave muestran comportamientos similares. El parámetro razón de
transferencia se refleja en cada una de las tecnologías por intervalos en los que al inicio del
61
experimento se comportan de similar forma, sin congestión en la red. Progresivamente,
varían a una congestión moderada en los casos de Zigbee y Z-Wave, alternando el caso de la
WiFi períodos congestión severa a períodos sin congestión. Las tecnologías culminan el
experimento en intervalos de conexión constante, sin congestión.
62
CONCLUSIONES
1. La tecnología IoT adquiere su máxima expresión en el contexto doméstico debido a la
masificación de los dispositivos inteligentes conectados a internet. De manera general se
define a IoT como un modelo que abarca a las tecnologías de comunicación inalámbrica
como las redes de sensores inalámbricos, redes móviles y actuadores. Además, se
plantean como principales desafíos la necesidad del fortalecimiento de la seguridad del
sistema en cuanto a privacidad, autenticación, rastreo y encriptación.
2. El escenario de redes IoT se conformó para la tecnología Zigbee a partir de un
coordinador, 5 routers y 20 nodos fijos que funcionan como sensores empleando
topología mesh. El escenario de Z-Wave se creó a partir de una variación de Zigbee en la
configuración de los parámetros Packet reception power threshold, frecuencia de
operación y potencia de transmisión. Para WiFi se configuró una red modo
infraestructura compuesta por 23 nodos con servicio de tráfico tipo background
conectados a un AP.
3. La tecnología Zigbee muestra en el parámetro Delay un comportamiento lineal y
creciente, en el que throughput mantiene un crecimiento constante. Z-Wave evidencia un
retardo creciente con ligeros intervalos de crecimiento y mantiene una razón de
transferencia creciente y constante. Para WiFi, el retardo se mantuvo constante, mientras
que throughput mostró acelerados intervalos de crecimiento y de decrecimiento hasta
alcanzar valores constantes.
4. Para las arquitecturas analizadas existen diferencias entre el desempeño de las
tecnologías. Desde el punto de vista de infraestructura el mejor desempeño lo presentó
la red WiFi, con un mejor comportamiento en el retardo y throughput elevado. Por otra
parte, es meritorio analizar la economía del usuario, así como la necesidad que tenga el
mismo en su entorno para elegir alguna de ellas.
63
RECOMENDACIONES
Profundizar en el estudio del IoT y su posible desarrollo en el contexto cubano.
Ampliar las evaluaciones del desempeño de redes en relación a las otras tecnologías,
topologías, así como el incremento o variación de parámetros.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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[43] F. A. Paliza, "INTERCONEXIÓN DE REDES CAPÍTULO 11 CALIDAD DE SERVICIO."
ANEXOS
Anexo 1
Tabla 2: Estándares IEEE 802.11
Estándar Razón Max Banda de
frecuencia
Alcance
cerrado y
abierto
Ancho de
Banda del
canal
Canales sin
interferencias
802.11b 11Mbps 2.4GHz 100m
200m
22Mbps 3
802.11a 54Mbps 5Ghz 70m
70m
20Mbps 23
802.11g 54Mbps 2.4GHZ 50m
400m
30Mbps 3
802.11n 289Mbps
600Mbps
2.4GHZ
5GHz
50m
500m
20Mbps
40Mbps
2
11
802.11ac 450Mbps
1300
5GHZ 90m
100
80Mbps
160
3
5
Anexo 2
Tabla 4: Características de las tecnologías IoT. Fuente: Elaboración propia, 2019
Wi-Fi Zigbee Z wave BLE LoRaWAN LTE
Estándar inicial IEEE
802.11,
seguidos por
802.11a,
802.11b,
802.11g,
802.11n,
802.11ac,
802.11sd,
802.11ah
(Wifi-Halow)
IEEE
802.15.4
Z-Wave Alliance
ZAD12837/G9959
Bluetooth 4.2
Core
Specification
LoRaWAN GSM/GPRS/EDGE
(2G), UMTS/HSPA
(3G), LTE (4G)
Frecuencias de
operación
2.4 GHZ,
5.4 GHz, 60 GHz,
900 MHz.
868 MHz en
Europa, 915
MHz en USA y
2.4 GHz en
todo el mundo
900 MHz
(ISM)
2.4 GHz 868 MHz en
Europa y 915
MHz en USA
900/1800/1900/2100
MHz
Consumo de
energía
Alto Bajo Bajo Bajo Bajo Alto
Modo de
conexión
Infraestructura:
dispositivo con un
punto de acceso a
red (Access Point),
ad-hoc: red virtual
entre dispositivos
sin el uso de un AP
físico, wifi-direct:
conexión entre
La red está
formada por un
coordinador,
routers y
dispositivos
finales.
Requiere del
empleo de una
red malla sin
necesidad de
un coordinador.
El nodo es muy
escalable, y
está habilitado
para su uso
Utiliza
Frequency
Hopping
para evitar
interferencias
con otras
tecnologías
que usan la
Protocolos:
LoRa y
LoRaWan
Red formada por
nodos eNB como
estaciones bases que
dispone de
funcionalidad de
control embebidas,
evitan el uso de
controlado
dispositivos que
negocian cuál de
ellos actuará como
AP, simulando una
red Wifi.
hasta 232
dispositivos.
misma banda
de frecuencia
Aplicaciones Presenta mayor
índice de
usabilidad. Es
aplicable en todos
los contextos
(fundamentalmente
en la industria,
agropecuario,
médico, científico
y doméstico)
Tiene una gran
base instalada
en relación al
funcionamiento.
Su empleo es
más tradicional
en los contextos
industriales.
Opera con la
llamada
licencia libre
ISM y no
interfiere con
otras
tecnologías al
trabajar por
debajo de la
banda de
frecuencia de 1
GHz como
ocurre con
WiFi, BLE o
Zigbee que
pueden
interrumpirse
en los 2.4 GHz.
Ha sido
integrado en
los
teléfonos
inteligentes
Fue adaptada
la
comunicación
en IoT de
manera
bidireccional,
especialmente
para zonas
suburbanas
Enfocada a
aplicaciones IoT
Particularidades
tecnológicas
-Puede formar
redes tipo estrella,
árbol y malla
-Permite
crear redes
PAN,
-Redes con
topología
tipo estrella
-Velocidad
de
transferencia
de 1 Mhz
-Velocidad
baja: decenas
de Kbps
-Grandes
distancias de
-Cobertura
(algunos
kilómetros)
-Velocidades de
transmisión de 3
Gps, latencias de 2
ms
Anexo 3
Figura 6. Asistente para creación de escenario tecnología Zigbee y Z-Wave
Anexo 4
Figura 7. Escala de red
Anexo 5
Figura 8. Creación final del escenario
