Slide della presentazione tenuta il 18/09/2019 come evento knowhub.it

1. IOT: Protocolli, Dispositivi, Architetture
...come scegliere e non pentirsi
Stefano Valle
Meeting Knohub del 18/09/2019 ℅ Knowledge Center
DiTeDi

2. https://knohub.it

3. @stefanovalle

4. Lavoro per...

10. http://longtailrisk.com

12. Sensori /
attuatori
Dispositivi
intelligenti
Collettore
dati
Cloud
gateway
Analisi dati
Storage
Sul campo / in impianto In Cloud

13. compute and storage resources
are placed
at the edge of the Internet,
in close proximity to
mobile devices or sensors
https://softwareengineeringdaily.com/wp-content/uploads/2018/09/hu-apsys2016.pdf
Edge device

14. Vantaggi
Performance
dovuto a minore latenza
Privacy e sicurezza
applicati e allineati standard sicurezza fra
dispositivi
Efficienza e costi
grazie a minore traffico dati

15. Edge necessario se il dispositivo...
• usa standard di connettività specifici (es.
OPC-*)
• usa tecnologie di comunicazione short
range
• non è in grado di implementare necessari
protocolli di sicurezza
• non è in grado di connettersi alla rete

16. https://softwareengineeringdaily.com/2018/09/14/edge-computing-and-the-future-of-the-cloud/

17. Sensori /
attuatori
Collettore
dati
Dispositivi
intelligenti
Cloud
gateway
Analisi dati
Storage
Sul campo / in impianto In Cloud

19. AWS IoT reference architecture
https://www.mactores.com/services/aws-iot/

20. Azure IoT reference architecture
https://docs.microsoft.com/it-it/azure/architecture/reference-architectures/iot/

21. Think big,
but start small
Principio n. 5,
“The Amazon Way on IoT”,
John Rossman

22. 1. Buona architettura

23. 2. Preferire
tecnologie aperte

24. 3. Uso consapevole
dei protocolli

25. https://www.eclipse.org/smarthome/

26. MQTT CoAP AMQP HTTP
TCP
...
UDP
IPv4 e IPv6 / 6LoWPAN
IEEE
802.3
IEEE
802.11
IEEE
802.16
... IEEE
802.15
Adapted from Choice of Effective Messaging Protocols for IoT Systems: MQTT, CoAP, AMQP and HTTP - Nitin Naik

27. MQTT CoAP AMQP HTTP
TCP
...
UDP
IPv4 a IPv6 / 6LoWPAN
IEEE
802.3
IEEE
802.11
IEEE
802.16
... IEEE
802.15
Adapted from Choice of Effective Messaging Protocols for IoT Systems: MQTT, CoAP, AMQP and HTTP - Nitin Naik

30. From Flickr - The Conmunity - Pop Culture Geek - the dash from Paul Nigh's Time Car Delorean from Back to the Future II

32. Posizione, velocità,
decelerazioni improvvise

33. Posizione, velocità,
decelerazioni improvvise

34. MQTT CoAP AMQP HTTP
TCP
...
UDP
IPv4 a IPv6 / 6LoWPAN
IEEE
802.3
IEEE
802.11
IEEE
802.16
... IEEE
802.15
Adapted from Choice of Effective Messaging Protocols for IoT Systems: MQTT, CoAP, AMQP and HTTP - Nitin Naik
?

41. Posizione, velocità,
decelerazioni improvvise

42. Posizione, velocità,
decelerazioni improvvise

43. ? ?

44. HTTP
HTTP

45. client server
GET http://www.mysite.com/bikes
200 OK

46. client server {["vendor": "...",
"model": "..."],
[...]}
Richiesta HTTP
(+headers +body) Verbo URL
GET http://www.mysite.com/bikes
200 OK

47. client server {["vendor": "...",
"model": "..."],
[...]}
Risposta HTTP
(+headers)
Status code
Body
GET http://www.mysite.com/bikes
200 OK

48. POST
/bikes/myBike/position
POST
/bikes/myBike/speed
200 OK
200 OK
{"position": [25.1212, 55.1535],
"time": 2018-06-15T14:22:13.421Z}
{"speed": 4.5,
"time": 2018-06-15T14:22:13.421Z}

49. https://martinfowler.com/articles/richardsonMaturityModel.html
Richardson
Maturity
Model

50. POST
/bikes/myBike/position
POST
/bikes/myBike/speed
200 OK
200 OK
{"position": [25.1212, 55.1535],
"time": 2018-06-15T14:22:13.421Z}
{"speed": 4.5,
"time": 2018-06-15T14:22:13.421Z}
RMM
Level 2

51. HTTP
HTTP

52. HTTP
HTTP

57. Attivazione freno

58. Entità
Comando Evento
Richiede
cambiamento di
stato
Notifica
cambiamento di
stato

59. HTTP
HTTP

60. HTTP
HTTP

61. HTTP
Come raggiungere
l’host?

62. CoAP

63. Introduction to Resource-Oriented Applications in Constrained Networks - Zach Shelby
Internet Constrained Environments

64. URI
coap://www.abcd.com:5683/sensors/temperature
nuovo schema host porta
(default 5683)
risorsa

65. Metodi
GET
POST
PUT
DELETE
Stessa semantica di
HTTP

66. Understanding Constrained Application Protocol - Vishnu Sharma

67. CON - Confirmable message
Richiede una risposta (positiva / negativa)
Tipi di messaggi

68. CON - Confirmable message
NON - Non-confirmable message
Non richiede una risposta, per i casi in cui
la perdita di un messaggio non è un
problema
Tipi di messaggi

69. CON - Confirmable message
NON - Non-confirmable message
ACK - Acknowledgement
Conferma ricezione di messaggio CON
Tipi di messaggi

70. CON - Confirmable message
NON - Non-confirmable message
ACK - Acknowledgement
RST - Negative acknowledgment
Indica un problema nella ricezione / lettura
dei dati
Tipi di messaggi

71. Understanding Constrained Application Protocol - Vishnu Sharma

72. Response codes
(0) 2.00 OK
(1) 2.01 Created
(14) 3.04 Not Modified
(20) 4.00 Bad Request
(21) 4.01 Unauthorized
…
(40) 5.00 Internal Server Error

73. Understanding Constrained Application Protocol - Vishnu Sharma

74. Understanding Constrained Application Protocol - Vishnu Sharma

75. Client Server
GET /speed - Token 0x11 - Observe: empty
Observe Option

76. Client Server
GET /speed - Token 0x11 - Observe: empty
2.05 Content - Token 0x11 - Observe: 1
Payload: 32
2.05 Content - Token 0x11 - Observe: 2
Payload: 21
2.05 Content - Token 0x11 - Observe: 23
Payload: 8

77. HTTP vs CoAP
Per tutti i dispositivi in grado
di connettersi a Internet
TCP
Non supporta multicast
Modello client / server
Richiede comunicazione
sincrona
Pacchetti di maggiore
dimensione
Per dispositivi con risorse
limitate
UDP
Supporta multicast
Modello client / server e
pub/sub
Comunicazione sincrona e
asincrona
Pacchetti di minore
dimensione

79. From Flickr - Alessandro Grussu - 100° Giro d'Italia - 02

80. MQTT

81. broker
client A
client B
subscribe
consegna
client C
subscribe
pubblica
consegna
Modello pub / sub

82. broker
client A
client B
client C
topic A
topic B
topic ...
pubblica
topic A
sub topic A
sub topic B

83. https://www.hivemq.com/blog/mqtt-essentials-part-3-client-broker-connection-establishment/

84. https://www.hivemq.com/blog/mqtt-essentials-part-4-mqtt-publish-subscribe-unsubscribe/

85. https://www.hivemq.com/blog/mqtt-essentials-part-4-mqtt-publish-subscribe-unsubscribe/

86. Temperatura della stanza
temperatura-kc
topic valido?
topic comodo da usare?
SI
NO

87. Topics best practices
uniPN/edificioS/aulaS8/temperatura
gerarchia generico specifico

88. Topics best practices
uniPN/edificioS/aulaS8/temperatura
separatore

89. Le temperature di
tutte le aule dell’edificio S?
uniPN/edificioS/+/temperatura
wildcard +

90. Tutti i dati di tutte le aule
dell’edificio S?
uniPN/edificioS/#
wildcard #

91. ? ?

92. broker
MQTT
MQTT

93. broker
bk99/bike1/position
{"position": [25.1212, 55.1535],
"time": 2018-06-15T14:22:13.421Z}

95. broker
subscribe
messaggio

96. Entità
Comando Evento

97. QoS
QoS 0 - al massimo uno
QoS 1 - almeno uno
QoS 2 - esattamente uno

98. QoS
QoS 0 - al massimo uno
QoS 1 - almeno uno
QoS 2 - esattamente uno
broker client A client B
subscribe
Qos Y
publish
QoS X

99. broker
come sapere se
client va offline?

100. https://www.hivemq.com/blog/mqtt-essentials-part-3-client-broker-connection-establishment/

101. broker
come possiamo
non perdere messaggi
se rimaniamo offline
per un po’?

102. https://www.hivemq.com/blog/mqtt-essentials-part-3-client-broker-connection-establishment/

103. broker
quali dati visualizzati
allo startup?

104. broker

105. https://www.hivemq.com/blog/mqtt-essentials-part-4-mqtt-publish-subscribe-unsubscribe/

106. broker
(retainFlag = true)

107. broker
(retainFlag = true)
ws

108. • Protocollo di messaggistica
• Necessario un broker
• TCP per il livello di trasporto
• Semplice, adatto a reti lente /
dispositivi con capacità limitate

109. MQTT 5
(non retrocompatibile con v. 3.1.1)
• scadenza messaggi e sessioni
• shared subscriptions: load balancing dei
clients
• flow control (limita numero di messaggi
in attesa di consegna)
• estensibile via user properties

110. Limitazioni su AWS e Azure
• Versione 3.1.1
• No QoS 2
• No flag retain
• Altre minori (ma da tenere a mente)

111. AMQP

112. queue
sender
enqueue
receiver
dequeue

113. queue A sender
A
recv B
recv C sender
E
recv D

114. Casi d’uso più comuni
• operazioni batch
• scambio messaggi asincrono /
sincronizzazione processi
• suddivisione carico di lavoro

115. queue A sender
A
recv B

116. Server
sender
A
recv B
Virtual host
Exchange
Queue Binding

117. Exchange
Fanout Direct Topic Headers

118. Exchange
Fanout Direct Topic Headers
(unicast) routing key == binding key
ex
queue B
queue A BK = A RK = A
BK = B

119. Exchange
Fanout Direct Topic Headers
(broadcast) messaggio pubblicato su tutte le code
ex
queue B
queue A

120. Exchange
Fanout Direct Topic Headers
instradamento via pattern matching
ex
queue B
queue A BK = 1.*.3 RK = 1.2.3
BK = 3.#

121. Exchange
Fanout Direct Topic Headers
routing via attributi espressi sugli header dei msg
ex
queue B
queue A headers match?

122. Server
sender
A
recv B
Virtual host
Exchange
Queue Binding
AMQP
0.9.1

123. !=

124. AMQP
1.0
via plugin

125. Container Container

126. Container Container
Connection

127. Container Container
Connection
Session

128. Container Container
Connection
Session
Channel

129. Container Container
Connection
Session
Channel
Node Node

130. Container Container
Connection
Session
Channel
Node Node

131. Casi d’uso

132. Exchange >> Nodes + Links
Nodo
consumer A
link
Producer
consumer N
consumer B
filter:
field = 1.*.3
Topic exchange

133. ? ?

134. broker
AMQP
AMQP

135. Entità
Comando Evento

136. Rispetto a MQTT
• acknowledgment dei messaggi
• supporto per transazioni
• code a priorità
• controllo di flusso
• routing avanzato

138. HTTP CoAP
MQTT AMQP
Prestazioni M2M vs IoT
Controllo di
flusso avanzato
Limitazioni hw
Routing flessibile

139. Message overhead basso alto
Messagesize basso alto
HTTP
CoAP
MQTT
AMQP
Adapted from Choice of Effective Messaging Protocols for IoT Systems: MQTT, CoAP, AMQP and HTTP - Nitin Naik

140. Resource Requirement basso alto
PowerConsumption basso alto
HTTP
CoAP
MQTT
AMQP
Adapted from Choice of Effective Messaging Protocols for IoT Systems: MQTT, CoAP, AMQP and HTTP - Nitin Naik

141. Latency basso alto
Bandwidth basso alto
HTTP
CoAP
MQTT
AMQP
Adapted from Choice of Effective Messaging Protocols for IoT Systems: MQTT, CoAP, AMQP and HTTP - Nitin Naik

142. orientato al Web;
contesti richiesta /
risposta
HTTP
dispositivi limitati;
contesti richiesta /
risposta
CoAP
pub / sub;
dispositivi limitati
MQTT
code di messaggi;
gestione evoluta del
routing
AMQP

143. broker
MQTT
MQTT
HTTP +
Web
Socket
queue
queue

144. Polyglot programming
Neal Ford, 2006
applications should be written in a
mix of languages to take advantage
of the fact that different languages
are suitable for tackling different
problems
Martin Fowler

145. Polyglot programming
Neal Ford, 2006
Polyglot persistence
Scott Leberknight, 2008
Polyglot messaging
no official definition

146. From Flickr - Bre Pettis - Dave's Bike Tools

147. 3. Uso consapevole
dei protocolli

148. Grazie per l’attenzione

149. Per saperne di più...
● http://mqtt.org/
● https://www.hivemq.com/mqtt-essentials/
● https://coap.technology/
● https://www.amqp.org/
● https://martinfowler.com/articles/richardson
MaturityModel.html

150. @stefanovalle
s.valle@mvlabs.it

151. Lavoriamo Assieme?
https://www.mvlabs.it/it/offerte-lavoro-software