Optimización de la conectividad IoT mediante CoAP: soluciones escalables para una eficiencia máxima

La Internet de los objetos (IoT) está experimentando una rápida expansión, conectándolo todo, desde frigoríficos hasta fábricas. Pero con este mundo interconectado surge un nuevo problema: ¿cómo garantizar una comunicación eficaz entre estos dispositivos? Ahí es donde entran en juego los protocolos de comunicación, que actúan como el lenguaje que permite a los dispositivos hablar entre sí. Uno de estos protocolos es CoAP, que ofrece una solución ligera para dispositivos IoT con recursos limitados.

Nagarro ha desarrollado soluciones de comunicación CoAP de alto rendimiento que satisfacen las exigentes demandas de las aplicaciones IoT modernas. Este artículo presenta una visión general de CoAP y la solución de middleware de Nagarro - CoAPConnect, diseñada para facilitar la integración perfecta de CoAP tanto en aplicaciones nuevas como existentes.

CoAP y otros protocolos IoT

Piense en una casa inteligente con docenas de termostatos que controlan constantemente la temperatura de las habitaciones. Los protocolos tradicionales, como HTTP, tienen dificultades debido a las voluminosas cabeceras y a las conexiones TCP que agotan la batería. MQTT ofrece una entrega fiable, pero aumenta la complejidad y el consumo de energía. CoAP se perfila como el ganador. Diseñado para dispositivos con limitaciones, reduce significativamente el tamaño de los datos y el consumo de recursos.

Por ejemplo, las cabeceras simplificadas de CoAP permiten a los termostatos transmitir datos con sólo 144 mAh/día, frente a los 576 mAh de HTTP. El impacto de CoAP va más allá de los dispositivos individuales. Imaginemos un concentrador central que controle estos termostatos. Con la menor latencia de CoAP (20-50 ms frente a los 50-100 ms de MQTT y los 100-200 ms de HTTP) y el menor espacio de memoria (1-3 MB frente a los 3-5 MB de MQTT y los 5-10 MB de HTTP), el concentrador puede recibir datos en tiempo real y ajustar la configuración de forma eficiente, creando un futuro mejor y más consciente de la energía.
Este concepto se aplica a diversos ámbitos, como la agricultura, los dispositivos para llevar puestos y la automatización industrial, donde es crucial una comunicación eficiente con dispositivos de recursos limitados.

¿Cómo funciona CoAP?

CoAP funciona sobre una danza cliente-servidor racionalizada para una comunicación eficiente dentro del mundo de recursos limitados del IoT. Este es el núcleo del intercambio

• El cliente inicia: Un dispositivo con recursos limitados (cliente) envía una solicitud CoAP especificando la operación deseada (GET, PUT, etc.) y la fuente de datos (identificador de recurso).
• Entrega UDP: CoAP utiliza UDP para el transporte de mensajes, priorizando la velocidad sobre la garantía de entrega para reducir la sobrecarga.
• Tipos de mensajes: CoAP ofrece flexibilidad con los tipos de mensajes. Los mensajes confirmables priorizan la fiabilidad con retransmisiones, mientras que los mensajes no confirmables priorizan la velocidad para escenarios en tiempo real.
• Procesamiento del servidor: Tras recibir la solicitud, el servidor la procesa en función de la operación y el identificador del recurso.
• Respuesta del servidor: El servidor genera una respuesta CoAP que contiene un código de estado (éxito/fracaso) y potencialmente datos o un mensaje de error.
• Entrega de la respuesta: El servidor envía la respuesta que contiene los mensajes al cliente, completando el ciclo de comunicación.

Este eficaz intercambio permite a CoAP destacar en aplicaciones IoT en las que el ancho de banda y la capacidad de procesamiento son limitados.

Presentación de "CoAPConnect

La integración de CoAP en aplicaciones se implementa comúnmente utilizando una biblioteca de adaptación CoAP. Sin embargo, este enfoque introduce retos en la gestión de recursos, al tiempo que limita la flexibilidad y la tolerancia a fallos. Nagarro ha desarrollado un servicio middleware, "CoAPConnect", para sistemas basados en Linux, diseñado para integrarse perfectamente con el sistema operativo a través de recetas Yocto o definiciones de paquetes Buildroot. El servicio, que se inicia automáticamente al arrancar el sistema, permite a las aplicaciones crear, configurar y gestionar fácilmente clientes y servidores CoAP a través de D-Bus, un mecanismo IPC ampliamente utilizado en Linux.

Este diseño abstrae la complejidad de CoAP, permitiendo a los desarrolladores centrarse en la lógica de la aplicación sin preocuparse por las complejidades del protocolo o la gestión de la memoria.

Arquitectura

Sin CoAPConnect

Integrar CoAP en una aplicación Linux normalmente implica incrustar una librería CoAP dentro de la propia aplicación.

Aunque este enfoque proporciona flexibilidad y control directo sobre el protocolo, conlleva importantes retos.

Complejidad del protocolo:

• Las aplicaciones requieren un manejo directo de las complejidades del protocolo de bajo nivel, como la gestión de mensajes, las retransmisiones y las limitaciones de recursos.
• Esto aumenta el esfuerzo de desarrollo y la probabilidad de que se produzcan errores.

Sobrecarga de recursos:

• En sistemas con recursos limitados, el espacio que ocupa la biblioteca puede suponer un consumo considerable de memoria y CPU.
• Estas demandas aumentan a medida que más aplicaciones utilizan instancias separadas de la biblioteca CoAP.

Ineficiencia en escenarios multiaplicación:

• Cuando varias aplicaciones necesitan funciones CoAP, cada una debe incluir su propia instancia de la biblioteca.
• Esta duplicación conlleva un uso redundante de memoria y CPU, así como una mayor utilización de la red.
• El uso de recursos aumenta linealmente con el número de aplicaciones, lo que puede saturar el dispositivo.

Complejidad del mantenimiento:

• Las actualizaciones de la biblioteca deben aplicarse a cada aplicación por separado, lo que complica el proceso de actualización.
• Los desajustes de versión entre aplicaciones pueden provocar comportamientos incoherentes e inestabilidad del sistema.
  
  

Con CoAPConnect

El uso de un servicio centralizado para CoAP ofrece una alternativa sólida a la incrustación de bibliotecas CoAP dentro de cada aplicación.

CoAPConnect de Nagarro agiliza el desarrollo, optimiza la utilización de recursos, y proporciona a las aplicaciones la flexibilidad para configurar sus funciones como cliente, servidor, o ambos, en función de sus necesidades específicas.

Los siguientes puntos destacan las principales características y ventajas técnicas de CoAPConnect:

Gestión simplificada del protocolo:

• CoAPConnect abstrae los detalles de bajo nivel del protocolo CoAP, como la gestión de mensajes, las retransmisiones y la gestión de recursos.
• Esto reduce la complejidad para las aplicaciones individuales, permitiéndoles centrarse únicamente en su funcionalidad principal en lugar de gestionar tareas específicas del protocolo.

Utilización eficiente de los recursos:

• CoAPConnect gestiona todas las operaciones del protocolo, eliminando la necesidad de instancias redundantes de la biblioteca en múltiples aplicaciones.
• Esto minimiza el uso de memoria, CPU y red, por lo que resulta ideal para dispositivos con recursos limitados.

Configuración más sencilla:

• CoAPConnect requiere una configuración mínima para establecer una conexión CoAP.
• Las aplicaciones pueden crear dinámicamente varias sesiones y publicar nuevos recursos según sea necesario.
• CoAPConnect permite que cada sesión elija una comunicación segura o no segura.

Doble función y soporte P2P:

• CoAPConnect soporta tanto el rol de cliente como el de servidor, permitiendo a las aplicaciones operar en cualquiera de las dos capacidades según sea necesario.
• En el modo Peer-to-Peer (P2P), cada aplicación funciona como cliente y servidor, lo que permite la comunicación directa entre dispositivos sin intermediarios.

Comunicación segura:

• CoAPConnect utiliza OSCAR (Open Security for CoAP and REST) para ofrecer una comunicación segura y cifrada entre clientes y servidores CoAP.
• CoAPConnect aprovecha los mecanismos de autenticación de OSCAR para garantizar que sólo los dispositivos autorizados puedan interactuar con el sistema, protegiéndose así contra accesos no autorizados.
• Con las comprobaciones de integridad de datos de OSCAR, CoAPConnect garantiza la autenticidad de los mensajes transmitidos, asegurando una comunicación fiable y a prueba de manipulaciones.

Escalabilidad:

• La adición de nuevas aplicaciones no aumenta significativamente la demanda de recursos, ya que todas las aplicaciones comparten la única instancia del servicio CoAPConnect.
• La arquitectura admite escenarios multiaplicación sin el escalado lineal del uso de recursos.

Facilidad de mantenimiento y gestión de fallos:

• Las actualizaciones y correcciones de errores se aplican al servicio, lo que garantiza un comportamiento coherente en todas las aplicaciones.
• Esto reduce la complejidad de mantener y actualizar la funcionalidad CoAP en múltiples aplicaciones.
• A diferencia de una biblioteca, un fallo crítico en el servicio no interrumpirá el funcionamiento de toda la aplicación.

Flujo de trabajo de CoAPConnect

Inicialización y arranque

Durante el arranque del sistema, CoAPConnect se inicializa y se registra automáticamente en el D-Bus, que actúa como bus de comunicación para la comunicación entre procesos. Esto permite que CoAPConnect sea inmediatamente accesible por las aplicaciones en el arranque, proporcionando un entorno listo para usar para las operaciones CoAP sin configuraciones de red adicionales.

Interacción a través de D-Bus

Las aplicaciones interactúan con CoAPConnect enviando comandos de alto nivel a través de mensajes D-Bus. Estos mensajes suelen incluir instrucciones para crear clientes o servidores CoAP, configurar recursos, enviar solicitudes CoAP y gestionar las respuestas entrantes. CoAPConnect procesa estas solicitudes D-Bus, utilizando mecanismos internos para traducir los comandos en operaciones específicas de CoAP, como el formato de los mensajes, el enrutamiento y la gestión de las respuestas.

Gestión de la red

CoAPConnect es responsable de todas las operaciones a nivel de red, incluida la gestión de sockets. Utiliza el protocolo UDP (ya que CoAP se basa en UDP) para abrir y configurar los sockets necesarios para la comunicación. CoAPConnect vincula los sockets a puertos y direcciones IP específicos, gestionando los estados de los sockets y asegurándose de que permanecen abiertos para una comunicación continua. Si se configura antes de iniciar la comunicación, OSCAR facilita un intercambio seguro de claves entre las entidades que se comunican (cliente y servidor) utilizando criptografía asimétrica o claves precompartidas. Esta clave se utiliza para cifrar y descifrar los mensajes.

Encapsulación del protocolo

CoAPConnect encapsula los mensajes CoAP en paquetes UDP, siguiendo la especificación del protocolo CoAP. Se encarga de la construcción de los mensajes, incluida la gestión de las cabeceras (p. ej., código CoAP, token, ID del mensaje y opciones), y garantiza la segmentación correcta de las cargas útiles de gran tamaño. En aras de la fiabilidad, CoAPConnect también gestiona las retransmisiones de mensajes que no han recibido un acuse de recibo en un tiempo de espera definido, gestionando los temporizadores de retransmisión y realizando un seguimiento de los estados de los mensajes. Cuando está configurado, CoAPConnect cifra los datos salientes al tiempo que autentica y descifra los datos entrantes.

Gestión de sesiones y recursos

CoAPConnect ofrece gestión de sesiones para clientes y servidores CoAP. Realiza un seguimiento del estado de cada sesión CoAP, incluida su creación, mantenimiento y finalización. Para la gestión de recursos, CoAPConnect mantiene un registro interno de los recursos disponibles en el lado del servidor, asignando cada recurso a su URI asociado. CoAPConnect gestiona las solicitudes CoAP entrantes, comprueba el registro de recursos y procesa las respuestas en tiempo real. También gestiona las relaciones de observación, los tiempos de espera y otros atributos relacionados con la sesión, garantizando que los recursos estén disponibles para las interacciones de los clientes cuando sea necesario.

Gestión de errores y retransmisión:

CoAPConnect detecta los errores de comunicación y gestiona automáticamente las retransmisiones. Aprovecha un mecanismo fiable de entrega de mensajes que utiliza los mensajes confirmables (CON) de CoAP para las transacciones que requieren acuse de recibo. Si un mensaje CoAP no recibe respuesta en un plazo definido, CoAPConnect inicia una retransmisión. Además, gestiona situaciones de error como mensajes malformados, condiciones de tiempo de espera y puntos finales inalcanzables, garantizando la robustez incluso en entornos de red poco fiables. CoAPConnect utiliza estrategias de backoff exponenciales para los reintentos y realiza un seguimiento de los intentos de retransmisión para evitar reintentos excesivos o la inundación de paquetes.

Conclusión

CoAP destaca como una opción convincente para la comunicación en entornos IoT con recursos limitados. Su diseño ligero, la mensajería asíncrona, el descubrimiento integrado y la compatibilidad con multidifusión lo hacen ideal para dispositivos alimentados por batería y redes dinámicas. Además, la adhesión de CoAP a la arquitectura RESTful permite una integración perfecta con el conocimiento existente de los métodos HTTP, mejorando la eficiencia de los desarrolladores.
Al abstraer las complejidades del protocolo y centralizar la gestión de recursos, CoAPConnect de Nagarro reduce significativamente el tiempo y el coste de desarrollo del producto, proporcionando una ventaja competitiva. Contacte con embedded@nagarro.com para interactuar con nuestros expertos en CoAP, IoT y Seguridad y construir dispositivos IoT inteligentes y seguros.