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Internet das Coisas precisará de uma nova arquitetura

Por Editorial

em Tech

5 anos atrás

As previsões que vem sendo anunciadas sobre a Internet das Coisas (IoT, na sigla em inglês), onde bilhões de dispositivos vão compartilhar informações e completar tarefas para melhorar a eficiência da vida cotidiana, dependem do acesso à internet atingir uma escala mundial. Infelizmente, a arquitetura atual não atende às necessidades que a IoT irá demandar.

Segundo o Gartner, em um futuro próximo, o número de dispositivos conectados a partir do conceito de Internet das Coisas irá chegar a 26 bilhões, produzindo US$ 300 bilhões em receitas. Alguns dos dispositivos que serão parte da IoT incluem sensores e atuadores em cidades inteligentes, tags inteligentes em diversos objetos familiares, sensores vestíveis de monitoramento da saúde, smartphones, carros e aplicações domésticas inteligentes. A IoT irá integrar vários tipos de robôs domésticos, drones e até robôs voadores extremamente pequenos. As mudanças no nosso cotidiano serão imensas. Como exemplo, a IoT irá conduzir um gerenciamento mais preciso e sustentável de força e distribuição de água em cidades inteligentes e trazer melhorias no cuidado com a saúde, como a interrupção da propagação de doenças epidêmicas.

Entretanto, a tecnologia de hoje não está pronta para ser aplicada na escala massiva e dinâmica que a IoT necessita no futuro, considerando a enorme quantidade de dados transmitidos do mundo físico e o novo padrão de comunicação que ela cria. Nós precisamos de novas programações, capacidade de entrega e abordagens de gerenciamento de rede. O que virá a seguir será uma proposta, de um framework ainda em desenvolvimento para uma arquitetura global de IoT.

Um problema predominante com as arquiteturas IoT existentes é que elas foram projetadas para pequenas ilhas de IoT – que funcionam com redes paralelas, por exemplo, quando um operador de usina de energia puxa dados de uma turbina em protocolos proprietários. Essas “coisas” implantadas em maior escala não permitem colaboração de forma dinâmica entre essas “ilhas” para executar tarefas distribuídas que envolvem detecção, acionamento e computação.

Então, como podemos avançar o atual estado da IoT para atingir seu verdadeiro potencial? O caminho é repensar a inteligência embutida na arquitetura IoT.

Em conjunto com o National Institute of Informatics (NII, na sigla), do Japão, foi feita uma pesquisa sobre como alavancar tecnologias de cloud computing e Redes Definidas por Software (SDN, na sigla em inglês) para promover efetivamente e eficientemente a distribuição para serviços IoT. A investigação me levou a acreditar que o futuro da IoT deveria se desenvolver organicamente no topo da internet existente e implementar uma nova arquitetura de distribuição inteligente chamada 3DIA – uma “arquitetura de distribuição inteligente” de três camadas. 

A 3DIA é baseada em três princípios:

Executar distribuição dos serviços IoT
Redes IoT inspiradas por princípios SDN
Suporte penetrante na nuvem para IoT

Ao implementar a 3DIA, dispositivos IoT estarão habilitados para executar distribuição sensitiva e serviços de computador com ajuda da nuvem, que pode encaminhar os problemas relatados para avaliação, limitação de recursos, bandwidth, latência e gerenciamento.

Três camadas de uma internet global

A 3DIA é dividida em três níveis: inteligência global, inteligência regional e inteligência local. Alguns esforços enfrentaram as questões da IoT nas camadas regionais e locais. 

Global: A camada do topo fornece inteligência global na nuvem para serviços escaláveis, gerenciamento de internet, programação de serviços e interação de dispositivos. Por exemplo, esta camada iria permitir uma coordenação global entre dispositivos IoT em uma cidade grande (ativos de utilidade pública ou pertencentes a indivíduos, por exemplo) e para uma execução de distribuição de serviços eficiente. Atualmente, isso não é possível por causa das diferentes redes de IoT, que não interagem entre si. Além disso, a camada global iria simplificar as interações entre usuários e serviços através do fornecimento de um serviço altamente disponível na ponta através da nuvem. O problema inseparável da distribuição natural de serviços, tal como falha de dispositivos ou quedas de conexão devido à mobilidade, deveriam ser transparentes para usuários que interagem com esse serviço na ponta.  

Regional: A camada do meio fornece inteligência regional para manusear as dinâmicas IoT de forma efetiva, engenharias de tráfego de internet e alocação de recursos wireless, os quais são implementados em acessos a redes wireless que estejam aprimoradas com computação e recursos de armazenamento para formar um novo tipo de infraestrutura de nuvem permissiva. Nós chamamos isso de “stratus clouds”. Essa camada iria, por exemplo, fornecer gerenciamento efetivo de recursos dependentes de localização. Um exemplo típico de tais recursos são os escassos recursos de radiofonia, que tem uma forte dependência no local. Neste caso, a “stratus cloud’ irá operar protocolos SDR que irão ajudar na alocação de espectros de radio. Como exemplo, isto poderia ser útil em um cenário de desastre onde muitos usuários iriam aglomerar certas regiões tentando evacuar, sendo necessárias alocações de espectro eficientes para evitar interferências. A “stratus cloud” permitiriam o desenvolvimento deste tipo de software de gerenciamento regional de IoT.

Local: A camada inferior fornece inteligência local, que consiste em softwares operando em dipositivos IoT para deixar que eles interajam com a stratus cloud e com outros nós para entregar serviços IoT escaláveis, assim como para interagir com toda a infraestrutura de nuvem para redes de contatos eficientes, entrega de conteúdo e alocação de recursos wireless. Esta última camada consiste em elementos físicos do ambiente, tais como smartphones, veículos inteligentes e computadores. Um exemplo de suas funções é formar redes ad hoc inteligentes entre dispositivos IoT quando tais redes são necessárias em situações como desastres naturais. 

Nós estamos trabalhando atualmente para construir um protótipo de 3DIA. Para obter sucesso, essa arquitetura precisa de controles SDN na nuvem global e na stratus cloud para fornecer suporte às redes de contato. Esses controles irão manipular todas as decisões relacionadas à comunicação dispositivo para dispositivo, tais como roteamento, agendamento de tráfego e redes ad hoc em relação às decisões de comunicação de internet. Como os controles SDN são processos operando em máquinas virtuais na nuvem, elas podem ser facilmente escaláveis para cima ou para baixo e movidas entre diferentes locações na nuvem para seguir os potenciais dispositivos IoT móveis ou de usuários. Idealmente, a escalabilidade IoT poderia ser preservada mesmo para um substancial número de dispositivos. 

Questões que não podemos responder

Na pesquisa, ainda existem questões que não foram respondidas. Por exemplo, como a arquitetura de três camadas pode funcionar sem problemas sobre diferentes tecnologias de acesso por rádio, enquanto minimiza interferências e poder de consumo?

Podemos criar caminhos mais inteligentes para dispositivos visando uma conexão espontânea através de arquiteturas IoT, para que serviços IoT dinâmicos possam ser criados sob demanda?

Como é possível compartilhar dispositivos concorrentes entre múltiplos serviços enquanto damos prioridade para serviços em tempo real sem atrasar outros?

E como gerenciamos a privacidade em uma IoT massiva, composta por dispositivos pertencentes a várias organizações e indivíduos?

Embora ainda estejam pesquisando por respostas para cumprir as expectativas propostas para a IoT até 2020, onde bilhões de dispositivos estão se comunicando sem problemas e solucionando muitas das ineficiências do cotidiano, está claro que uma arquitetura IoT mais inteligente é necessária. A abordagem busca embutir mais inteligência na arquitetura na forma de recursos na nuvem e de redes definidas por software (SDN, na sigla em inglês). 

Assim como as cidades inteligentes que nós esperamos criar a partir da IoT, a arquitetura 3DIA pode ser incrementalmente implantada sobre a internet atual. Portanto, ela pode ser prototipada rapidamente e amplamente adotada pela indústria. Nós acreditamos que este objetivo está ao nosso alcance.

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