Quali sono i livelli di un'architettura IoT?

Chi progetta sistemi IoT ha bisogno di un vocabolario condiviso per le parti, e la risposta abituale è un modello a livelli. Come lo stack di rete da cui prende in prestito l’idea, il modello divide un sistema in livelli con responsabilità distinte, così che una conversazione su una radio Zigbee non si intrecci con una su una dashboard. La versione più semplice ha tre livelli: percezione, rete e applicazione. Le versioni pratiche aggiungono in mezzo un livello edge e un livello piattaforma o middleware, ed è questa forma a cinque livelli che la guida usa.

Non esistono due modelli di riferimento che concordino sui nomi, e la ISO/IEC 30141, l’architettura di riferimento internazionale (rivista nel 2024), usa un insieme di viste architetturali e domini invece di uno stack rigido. Va bene così. Lo scopo del modello è rendere esplicite le responsabilità, non imporre un diagramma. Usa i livelli come una lista di controllo: per ognuno, quale hardware o software lo occupa, quale protocollo ne attraversa i confini e chi ne è responsabile.

Le sezioni che seguono descrivono ogni livello, l’interfaccia con il successivo e i compromessi che compaiono dove un livello finisce e ne comincia un altro.

Che cosa fa il livello di percezione?

Il livello di percezione è dove il mondo fisico viene misurato e dove si agisce su di esso. Contiene sensori, attuatori e il microcontrollore o il processore che li legge e li pilota. A questo livello il firmware gestisce campionamento, calibrazione, filtraggio, buffer locale e gestione dell’energia.

Le decisioni di progetto principali qui sono che cosa misurare, ogni quanto e quanto elaborare prima di trasmettere. Riferire un flusso grezzo è la soluzione più semplice ma costosa in energia e banda. Riferire solo i cambiamenti o le eccezioni è efficiente ma nasconde informazioni che potrebbero contare in seguito. Un sensore che invia spettri di vibrazione riassunti in pochi numeri ha preso una decisione analitica per conto dell’intero sistema, il che va bene purché tutti lo sappiano.

Anche l’identità comincia qui. Ogni dispositivo ha bisogno di un’identità del dispositivo univoca e non falsificabile, idealmente ancorata a un secure element, perché ogni livello superiore si fiderà dei dati che la portano.

Che cosa fa il livello di rete?

Il livello di rete sposta i dati tra i dispositivi e i sistemi che li consumano. Comprende il collegamento locale radio o cablato (Wi-Fi, Zigbee, Thread, LoRaWAN, NB-IoT, Ethernet), l’eventuale gateway che fa da ponte tra una rete locale non IP e la rete IP, e il percorso su internet o su una WAN privata verso il back end.

Nel modello classico a tre livelli questo livello trasporta anche il protocollo applicativo (MQTT, CoAP, HTTP) e la sicurezza del trasporto (TLS, DTLS). La panoramica sulla connettività spiega come scegliere un collegamento; la domanda architetturale chiave è se i dispositivi sono endpoint IP a pieno titolo o se un gateway li rappresenta. Questa scelta determina dove terminano indirizzamento, cifratura e autenticazione, ed è difficile da cambiare dopo l’installazione.

Che cosa fa il livello edge?

Molti modelli inglobano l’edge nel livello di rete, ma è cresciuto abbastanza da meritare un posto proprio. Il livello edge è l’elaborazione che avviene vicino ai dispositivi anziché in un data center: su un gateway edge, su un PC industriale nel reparto produttivo, sul computer di bordo di un veicolo o sul dispositivo stesso.

I compiti che appartengono a questo livello sono quelli che richiedono una latenza bassa, che devono continuare a funzionare quando l’uplink cade o che sarebbero troppo costosi da svolgere a livello centrale. Esempi: la traduzione di protocollo da Modbus o OPC UA a MQTT, la logica locale degli allarmi, il downsampling dei dati ad alta frequenza, il buffer durante le interruzioni e, sempre più spesso, l’inferenza di edge AI, come rilevare una persona nel fotogramma di una telecamera prima che qualsiasi video lasci il sito.

La guida su edge, cloud e fog approfondisce dove tracciare questa linea. La conseguenza architetturale è che il livello edge esegue software vero e proprio, che ha bisogno della stessa disciplina di ciclo di vita del cloud: controllo di versione, deployment, monitoraggio e aggiornamenti.

Che cosa fa il livello piattaforma?

Il livello piattaforma o middleware è il back end a cui si collega ogni dispositivo. Una piattaforma IoT, che sia un servizio cloud gestito, uno stack open source o qualcosa costruito in casa, fornisce un insieme standard di funzioni:

• Connettività: un broker o un endpoint che termina le connessioni dei dispositivi e le autentica.
• Gestione dei dispositivi: un registro dei dispositivi, il provisioning, i device shadow, la gestione della flotta e gli aggiornamenti OTA.
• Trattamento dei dati: acquisizione dei dati, instradamento, un motore di regole, archiviazione in un database di serie temporali e punti di integrazione come API e webhook.

È a questo livello che la scalabilità si guadagna o si perde. Un back end che gestisce cento dispositivi su un singolo server raramente sopravvive a centomila senza rivedere il modo in cui connessioni, archiviazione e regole sono partizionate. La guida alle piattaforme confronta le opzioni.

Che cosa fa il livello applicativo?

Il livello applicativo è dove i dati diventano utili alle persone e agli altri sistemi. Contiene dashboard, avvisi, app mobili, analisi, gemelli digitali e integrazioni con il software aziendale, come i sistemi di manutenzione, la fatturazione o un MES in fabbrica.

Tutto ciò che sta sotto questo livello è più o meno uguale in ogni settore. Il livello applicativo è dove risiede la conoscenza del dominio: che cosa significa uno sbalzo di temperatura per un vaccino, che cosa significa una firma vibrazionale per una pompa, che cosa significa l’occupazione per la programmazione dell’HVAC di un edificio. È anche il punto da cui partono i comandi che scendono lungo lo stack fino agli attuatori, e questo significa che il livello applicativo ha bisogno di un modello di autorizzazione che limiti chi può inviare che cosa a quale dispositivo.

Quali responsabilità attraversano i livelli?

Alcune responsabilità non stanno in un solo livello. Sono facili da dimenticare proprio perché nessun livello le possiede.

La sicurezza attraversa ogni livello: root of trust hardware alla percezione, cifratura sulla rete, isolamento all’edge, identità e controllo degli accessi sulla piattaforma, audit nell’applicazione. Trattare la sicurezza come un livello a sé tende a produrre un sistema in cui ogni livello dà per scontato che se ne occupi un altro.

Identità e ciclo di vita seguono un dispositivo dalla produzione al commissioning, all’esercizio e alla dismissione. Il ciclo di vita del dispositivo abbraccia tutti i livelli ed è l’argomento della guida alla gestione dei dispositivi.

La governance dei dati riguarda che cosa viene raccolto, dove viene archiviato, chi può accedervi e quando viene cancellato. Le regole sulla sovranità dei dati possono imporre che i livelli edge e piattaforma si trovino in una giurisdizione specifica.

L’osservabilità significa sapere quali dispositivi sono online, quali non riferiscono più da tempo e che cosa sta facendo la pipeline, di solito tramite heartbeat e metriche a ogni livello.

Come si usa il modello nella pratica?

Il modello a livelli dà il meglio quando lo si usa per assegnare le responsabilità. Per ogni livello, annota il componente, il responsabile, il protocollo al suo confine superiore e che cosa succede quando il livello sopra o sotto non è disponibile. Lacune e sovrapposizioni emergono subito. Un riscontro frequente è che due livelli si ritengono entrambi responsabili del buffer durante le interruzioni e nessuno dei due lo fa bene, oppure che nessun livello possiede la corrispondenza tra il numero di serie di un dispositivo e un cliente.

Il modello aiuta anche nelle conversazioni con i fornitori. I fornitori di piattaforme tendono a descrivere l’intero sistema come il loro prodotto; il modello chiarisce quali livelli forniscono davvero e quali devi ancora costruire, integrare o gestire.

Per continuare

• Come funziona l’IoT: dal sensore al cloud e ritorno segue una lettura attraverso tutti e cinque i livelli.
• Le piattaforme IoT spiegate esamina in dettaglio il livello piattaforma.
• La pipeline di dati IoT tratta che cosa succede ai dati dall’acquisizione all’azione.
• Edge, cloud o fog aiuta a decidere che cosa appartiene al livello edge.

Argomenti: architettura, livelli, modello di riferimento