IoT - Интернет вещей Будущее за интернетом вещей

RSS, Twitter, Vkontakte, Facebook

IoT - Internet of Things

IoT - современные телекоммуникационные технологии

Автор: Владимир Ткаченко

Источник: Обучение в интернет

Что такое Интернет вещей (Internet of Things, IoT)? IoT - это новая парадигма Internet. Что подразумевается под термином "вещь" в IoT. Под термином "вещь" в IoT подразумеваются интеллектуальные, т.е. "умные" предметы или объекты (Smart Objects или Smart Things, или Smart Devices). Чем IoT отличается от традиционного Интернет? IoT - это традиционная или существующая сеть Интернет, расширенная подключенными к ней вычислительными сетями физических предметов или вещей, которые могут самостоятельно организовывать различные модели подключения или общения ("Thing - Thing", "Thing - User" и "Thing - Web Object").

Следует отметить, что Smart Objects – это датчики или приводы (sensors or actuators), снабженные микроконтроллером с ОС реального времени со стеком протоколов, памятью и устройством связи, встроенные в различные объекты, например, в электросчетчики или газовые счетчики, датчики давления, вибрации или температуры, выключатели и т.д. "Умные" объекты или Smart Objects могут быть организованны в вычислительную сеть физических объектов, которые могут быть подключены через шлюзы (хабы или специализированные IoT платформы) к традиционной сети Интернет.

В настоящее время существует множество определений понятия IoT. Но, к сожалению, они противоречивы, нет четкого и однозначного определения понятия «Интернет вещей».

Чтобы разобраться в сути IoT, сначала целесообразно рассмотреть инфраструктуру Internet и сервис WWW (World Wide Web) или Web (веб). Internet - это сеть сетей, т.е. сеть, объединяющая различные сети и отдельные узлы удаленных пользователей с помощью маршрутизаторов и сетевого (межсетевого) протокола IP. Другими словами под термином Internet подразумевается инфраструктура глобальной сети, состоящая из множества компьютерных сетей и отдельных узлов, соединенных каналами связи.

Глобальная сеть Internet является физической основой сервиса Web. Web - это всемирная паутина или распределенная система информационных ресурсов, предоставляющая доступ к гипертекстовым документам (веб-документам), размещенным на веб-сайтах сети Интернет. Доступ и передача веб-документов в формате HTML по сети Интернет осуществляется с помощью прикладного протокола HTTP сервиса Web на основе стека протоколов TCP/IP сети Интернет.

С учетом вышеизложенного, можно сделать выводы, что IoT характеризуется масштабными изменениями инфраструктуры глобальной сети Интернет и новыми моделями общения или подключения: "вещь - вещь", "вещь - человек (User)" и "вещь - веб объект (Web Object)".

Интернет вещей IoT целесообразно рассматривать на технологическом, экономическом и социальном уровнях.

На технологическом уровне IoT – это концепция развития инфраструктуры сети (физической основы) Интернет, в которой "умные" вещи без участия человека способны подключиться к сети для удаленного взаимодействия с другими устройствами (Thing - Thing) или взаимодействия с автономными или облачными ЦОДами или DATA-центрами (Thing - Web Objects) для передачи данных на хранение, их обработку, аналитику и принятия управленческих решений, направленных на изменение окружающей среды, или для взаимодействия с пользовательскими терминалами (Thing - User) для контроля и управления этими устройствами.

IoT приведет к изменениям экономических и социальных моделей развития общества. Существуют различные классификации IoT (например, Индустриальный Интернет вещей - IIoT, Интернет сервисов - IoS и т.д.) и области его использования (в энергетике, транспорте, медицине, сельском хозяйстве, ЖКХ, Smart Сity, Smart Home и т.д.).

Cisco ввела новое понятие — Internet of Everything, IoE («Интернет всего» или «Всеохватывающий Интернет»), а IoT является начальным этапом развития «Всеохватывающего Интернет»

Развитие Интернета вещей IoT зависит от:

  • технологий беспроводных сетей с низким энергопотреблением (LPWAN, WLAN, WPAN);
  • темпов внедрения сотовых сетей для IoT: EC-GSM, LTE-M, NB-IoT и универсальных сетей 5G;
  • темпов перехода сети Интернет на версию протокола IPv6;
  • технологий Smart Objects (сенсоров и актуаторов, снабженных микроконтроллером, памятью и устройством связи);
  • специализированных операционных систем со стеком протоколов для микроконтроллеров сенсоров и актуаторов;
  • широкого применения стека протоколов 6LoWPAN/IPv6 в операционных системах микроконтроллеров сенсоров и актуаторов;
  • эффективного использования Cloud computing для IoT платформ;
  • развития технологий M2M (machine-to-machine);
  • применения современных технологий Software-Defined Networks, снижающих нагрузку на каналы связи.

Архитектура глобальной сети IoT

В качестве фрагмента архитектуры IoT рассмотрим сеть (рис. 1), состоящую из нескольких вычислительных сетей физических объектов, подключенных к сети Интернет с помощь одного из устройств: Gateway, Border router, Router.

Как следует из архитектуры IoT, сеть Интернет вещей состоит: из вычислительных сетей физических объектов, традиционной IP сети Интернет и различных устройств (Gateway, Border router и т.д.), объединяющих эти сети.

Вычислительные сети физических предметов состоят из "умных" датчиков и приводов (исполнительных устройств), объединенных в вычислительную сеть (персональную, локальную и глобальную) и управляемых центральным контроллером (шлюзом или IoT Habs, или платформой IoT).

В IoT применяются технологии беспроводных вычислительных сетей физических предметов с низким энергопотреблением, к которым относятся сети малого, среднего и дальнего радиуса действия (WPAN, WLAN, LPWAN).

Беспроводные технологии сетей LPWAN (Low-power Wide-area Network)

К распространенным технологиям сетей дальнего радиуса действия LPWAN, которые представлены на рис. 1, относятся: LoRaWAN, SIGFOX, "Стриж" и Cellular Internet of Things или сокращено CIoT (EC-GSM, LTE-M, NB-IoT). К сетям LPWAN относятся и другие технологии, например, ISA-100.11.a, Wireless, DASH7, Symphony Link, RPMA и так далее, которые на рисунке 1 не указаны. Обширный список технологий представлен на сайте link-labs.

Одной из широко распространенных технологий является LoRa, которая предназначена для сетей дальнего радиуса действия, с целью передачи данных телеметрии различных приборов учета (датчиков воды, газа и т.д.) на дальние расстояния.

LoRa – это метод модуляции, который определяет протокол физического уровня модели OSI. Технология модуляция LoRa может применяться в сетях с различной топологией и различными протоколами канального уровня. Эффективными сетями LPWAN являются сети LoRaWAN, которые используют протокол канального уровня LoRaWAN (MAC протокол канального уровня), а в качестве протокола физического уровня - модуляцию LoRa.

Сеть LoRaWAN (рис. 2.) состоит из оконечных узлов End Nodes (трансиверов или модулей LoRa), подключенных по беспроводным сетям к концентраторам/шлюзам или базовым станциям, Network Server (сервера сети оператора) и Application Server (сервера приложений сервис провайдера). Сетевая архитектура LoRaWAN - "клиент-сервер". LoRaWAN работает на 2 уровне модели OSI.

Network Architecture LoRaWAN
Рис. 2. Network Architecture LoRaWAN (Source: What is it?)

Между компонентами сети «оконечные узлы – сервер» используется двусторонняя связь. Взаимодействие оконечных узлов локальной сети LoRaWAN с сервером происходит на основе протоколов канального уровня. В качестве адреса используются уникальные идентификаторы устройств (оконечных узлов) и уникальные идентификаторы приложения на сервере приложений.

Физическим уровнем стека протоколов LoRaMAC сегмента сети «оконечные узлы – шлюз», который функционирует на втором уровне модели OSI, является беспроводная модуляция LoRa, а MAC-протоколом канального уровня является LoRaWAN. Шлюзы LoRa подключаются к серверу сети провайдера или оператора с помощью стандартных технологий Wi-Fi/Ethernet/3G, которые относятся к уровню интерфейсов IP сетей (физическим и канальным уровням стека TCP/IP).

Шлюз LoRa обеспечивает межсетевое взаимодействие между сетями на основе разнородных технологий LoRa/LoRaWAN и Wi-Fi, Ethernet или 3G. На рис. 1 представлена сеть LoRa с одним шлюзом, выполненная по топологии «звезда», но сеть LoRa может быть и с множеством шлюзов (сотовая структура сети). В сети LoRa с множеством шлюзов «оконечные узлы – шлюз» построены по топологии «звезда», в свою очередь, "шлюзы - сервер" тоже подключены по топологии «звезда».

Полученные с оконечных узлов данные хранятся, отображаются и обрабатываются на сервере приложений (на автономном Web сайте либо в «облаке»). Для анализа IoT-данных могут применяться методы Big Data. Пользователи с помощью клиентских приложений, установленных на смартфон или ПК, имеют возможность доступа к информации на сервере приложений.

Технологии SIGFOX (sigfox.com) и "Стриж" (strij.net) аналогичные технологии LoRaWAN (www.semtech.com), но имеют некоторые отличия. Основное отличие заключаются в методах модуляции, которые определяют протоколы физических уровней этих сетей. Технологии SIGFOX, LoRaWAN и "Стриж" являются конкурентами на рынке сетей LPWAN.

Конкурентами на рынке сетей LPWAN являются и технологии CIoT (EC-GSM, LTE-M, NB-IoT), а также G5. Они предназначены для построения беспроводных сетей LPWAN сотовой связи на основе существующей инфраструктуры сотовых операторов. Применение традиционных сетей сотовой связи в IoT является нерентабельным, поэтому в настоящее время нишу сетей LPWAN заняли LoRaWAN, SIGFOX и т.д. Но если операторы сотовой связи своевременно внедрят технологии EC-GSM (Extended Coverage GCM), LTE-М (LTE для М2М-коммуникаций), основанные на эволюции GSM и развитии LTE, то они потеснят LoRaWAN, SIGFOX и другие технологии с рынка LPWAN.

К наиболее перспективным направлениям построения беспроводных сетей LPWAN относится узкополосный интернет вещей NB-IoT (Narrow Band IoT) на базе LTE, который может быть развернут поверх существующих сетей LTE операторов сотовой связи. Но стратегическим направлением в CIoT являются сотовые сети нового поколения 5G, которые будут поддерживать IoT.

Технология 5G, предназначенная для работы с разнородным трафиком, обеспечит подключение к Интернет разнообразных устройств с разными параметрами (энергопотреблением, скоростями передачи данных и т.д.) как мобильных устройств (смартфонов, телефонов, планшетов и т.д.), так и Smart Objects (sensors or actuators).

Где применяются сети LPWAN? Например, в Нидерландах и в Южной Корее для IoT уже развернута общенациональная сеть LoRa. Сети SigFox для IoT развернуты в Испании и Франции. В России создается национальная сеть "Стриж" для Интернета Вещей и т.д. В настоящее время в качестве стандарта для вычислительных сетей физических предметов LPWAN Интернета вещей IoT рассматриваются стандарты - LoRaWAN и NB-IoT.

Следует отметить, что в IoT наряду с использованием облачных технологий применяются технологии «туманных вычислений» (fog computing). Это обусловлено тем, что в облачной модели, используемой в IoT, слабым местом является пропускная способность каналов операторов связи, по которым осуществляется обмен данными между "облаком" и "умными" устройствами вычислительных сетей физических предметов.

Концепция "туманных вычислений" предполагает децентрализацию обработки данных за счет передачи части работы по обработке данных и принятию управленческих решений с "облака" непосредственно устройствам вычислительных сетей физических предметов.

Повышение пропускной способности каналов связи Cloud computing может обеспечить новый подход их построения на основе технологии Software-Defined Networks (SDN). Поэтому внедрение SDN позволит повысить эффективность работы каналов связи Cloud computing и IoT.

Беспроводные персональные сети (WPAN) передачи данных малого радиуса с низким энергопотреблением

К сетям WPAN (рис. 1) относятся беспроводные сенсорные сети на основе технологий: 6LoWPAN, Thread, ZigBee IP, Z-Wave, ZigBee, BLE 4.2 (Bluetooth Mesh). Эти сети относятся к mesh-сетям (самоорганизующимся и самовосстанавливающимся сетям с маршрутизацией), которые имеют ячеистую топологию.

Персональные вычислительные сети на основе технологий 6LoWPAN, Thread, ZigBee IP относятся к IP сетям со стеком протоколов 6LoWPAN или IPv6 стеком для 802.15.4 сетей (рис. 3). В них используется сетевой протокол 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks), который является версией протокола IPv6 для беспроводных персональных сенсорных сетей с низким энергопотреблением стандарта IEEE 802.15.4. В качестве протокола маршрутизации используется RPL (Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks).

6LoWPAN Protocol Stack для IoT
Рис. 3. 6LoWPAN Protocol Stack

IEEE 802.15.4 (standards.ieee.org) - это стандарт, который описывает физический IEEE 802.15.4 PHY и канальный уровни сетевой модели OSI. Канальный уровень, состоит из подуровня доступа к среде передачи МАС (Media Access Control) IEEE 802.15.4 MAC и подуровня управления логической связью LLС (Logical Link Control). На базе стандарта IEEE 802.15.4 построено несколько технологий, например, таких как ZigBee IP, Thread, 6LoWPAN.

Стек протоколов 6LoWPAN. Суть работы вычислительных сетей физических объектов в IoT на основе стека протоколов 6LoWPAN состоит в следующем. Например, данные с сенсора поступают на вход микроконтроллера (МК). МК обрабатывает поступающие с сенсора данные на основе прикладной программы (End Nodes Applications), которая создана разработчиком сети на основе API специализированной ОС микроконтроллера.

Для передачи обработанных данных в сеть приложение End Nodes Applications обращается к протоколу прикладного уровня (Application - IoT protocols) стека протоколов ОС микроконтроллера и через стек передает данные на физический уровень сенсора. Далее бинарные данные поступают на вход Border routers (Edge routers). Для передачи данных с End Node через Border routers на Web-сервер (Web-приложению) по прикладному протоколу CoAP, необходимо осуществить согласование сетей на прикладном уровне стека протоколов CoAP-to-HTTP, для этого используют прокси-сервер.

Стек протоколов 6LoWPAN обеспечивает подключение "умных" устройств с низким энергопотреблением к Интернету роутерами, а не специализированными IP шлюзами. Поскольку низкоскоростные сети со стеком протоколов 6LoWPAN для устройств с ограниченными возможностями не являются транзитными сетями для сетевого IP трафика традиционного Интернет, то они являются конечными сетями в IoT и подключены к сети Интернет через Border routers или Edge routers. Граничный роутер обеспечивает взаимодействие сети 6LoWPAN с сетью IPv6 путем преобразования заголовков IPv6 и фрагментации сообщений в адаптационном слое стека протоколов (Adaption of 6LoWPAN).

Z-Wave (z-wave.me) - одна из популярных технологий беспроводных сетей IoT (стандарт: Z-Wave и Z-Wave Plus). Cеть Z-Wave (рис. 1) с ячеистой топологией (mesh - сеть) и низким энергопотреблением, предназначенная для организации Smart Home. Сетевой протокол Z-Wave стека коммуникационных протоколов Z-Wave реализован компанией Sigma Designs закрытым кодом и является запатентованным. Нижние уровни MAC и PHY включены в стандарт ITU-T G.9959.

Z-Wave насчитывает множество совместимых устройств (sensors and actuators) для создания сети Smart Home. Управлять домашней сетью Z-Wave можно дистанционно с помощью пульта управления через Home Controller, контролировать работу сети можно с ПК и Интернет через смартфон. Сеть Z-Wave подключена к сети Интернет через специализированный IP шлюз Gateway "Z-Wave for IP".

ZigBee (zigbee.org) — это одна из наиболее распространенных технологий для построения беспроводных сетей IoT (открытый стандарт ZigBee). Сеть ZigBee с ячеистой топологией (mesh - сеть) имеет свой стек коммуникационных протоколов IEEE 802.15.4/Zigbee, который не поддерживает межсетевой протокол IP. Вычислительная сеть предметов на основе стека ZigBee, для взаимодействия с внешними устройствами, расположенными в IP-сети, подключена к сети Интернет через специализированный IP шлюз Gateway ZigBee. В настоящее время создан новый стандарт ZigBee IPv6.

Сети, созданные на основе нового стандарт Zigbee IPv6, могут быть подключены к IP-сети через роутер, а не специализированный шлюз. Шлюз Gateway ZigBee осуществляет переупаковку данных из одного формата в другой и обеспечивает межсетевое взаимодействие между сетями на основе разнородных технологий MQTT/ZigBee - HTTP/TCP/IP. Технология ZigBee используется как стандарт для автоматического сбора показаний счетчиков электроэнергии абонентов и передачи их на серверы операторов связи (автономные сайты), либо на IoT Habs Cloud.

WiFi (www.wi-fi.org) - это набор стандартов беспроводной связи IEEE 802.11, который можно использовать для построения беспроводной локальной вычислительной сети предметов WLAN на основе стека TCP/IP. Стек протоколов стандарта IEEE 802.11 состоит из физического уровня PHY и канального уровня с подуровнями управления доступом к среде MAC и логической передачи данных LLC. Протоколы IEEE 802.11 (WiFi) относятся к уровню сетевых интерфейсов в стеке TCP/IP.

Беспроводная локальная вычислительная сеть предметов WiFi подключена к Internet с помощью роутера (рис. 1). Следует отметить, что для построения локальных беспроводных вычислительных сетей предметов Wi-Fi Alliance создал новую спецификацию IEEE 802.11s, которая обеспечивает технологию построения ячеистых сетей. Кроме того, для IoT создан и новый стандарт Wi-Fi HaLow (спецификация IEEE 802.11ah) с низким энергопотреблением.

BLE 4.2 (bluetooth.com) - это новая версия стандарта Bluetooth low energy (Bluetooth LE), которая предназначена для построения беспроводных сетей типа Smart Home. Новый стандарт Bluetooth Mesh с ячеистой топологией будет внедрен к концу 2016г. Стек коммуникационных протоколов BLE 4.2 поддерживает сетевой протокол IPv6 over BLUETOOTH(R) Low Energy или 6LoWPAN, протоколы транспортного (UDP, TCP) и прикладного (COAP и MQTT) уровней.

Версия BLE 4.2 обеспечивает минимальное энергопотребление оборудования и выход в IP-сети. Нижние уровни MAC и PHY стека Bluetooth LE Stack: Bluetooth LE Link Layer и Bluetooth LE Physical. Для обеспечения взаимодействия сетей (BLE 4.2 и Internet) на сетевом уровне (6LoWPAN с IPv6) и прикладном уровне стека протоколов (CoAP с HTTP), сеть BLE 4.2 может быть подключена к сети Интернет (рис. 1) через Border routers и CoAP-to-HTTP Proxy соответственно.

Протоколы прикладного уровня IoT

В сетях физических объектов взаимодействия между компонентами осуществляется с помощью протоколов прикладного уровня: CoAP, MQTT, XMPP, AMQP, JMS, REST/HTTP и т.д. Протокол CoAP (Constrained Application Protocol) - ограниченный потокол передачи данных, аналогичный HTTP, но адаптированный для работы с "умными" устройствами низкой производительности. Протоколы MQTT, XMPP, AMQP, JMS – эти протоколы обмена сообщениями, которые основаны на брокере по схеме: publish/subscribe (публикация/подписка).

Для доступа из сетей физических объектов, не поддерживающих IP протокол, к сетям IP и наоборот используются хабы или шлюзы, или IoT платформы, которые обеспечивают согласование протоколов на различных уровнях стека коммуникационных протоколов. Для доступа из сетей физических объектов, поддерживающих IP протокол, к сетям IP и наоборот используются прокси для согласования протоколов прикладного уровня (например, для согласования протоколов CoAP и HTTP). К распространенным протоколам управления "умными" устройствами относятся протоколы прикладного уровня: LWM2M, CWMP, OMA-DM и т.д.