Интернет Вещей — это стремительно развивающаяся комплексная концепция, включающая в себя исследования в области информатики, сетевых технологий, микроэлектроники и сенсорной техники. Данная парадигма представляет собой основное направление развития сетевых технологий в будущем и позволит решить многие рутинные задачи человечества, начиная от измерения экологических показателей и заканчивая увеличением эффективности производства.
В этой статье мы познакомимся с основными определениями Интернета Вещей и его характеристиками, проведем анализ области и выделим основные проблемы и задачи, стоящие на пути реализации данной концепции.
Интернет вещей (Internet of Things, IoT) определяется как концепция, в которой большая часть устройств, используемых людьми, будет снабжена микроконтроллерами для управления и сетевыми интерфейсами для цифровой передачи данных и общения между собой. Группа RFID определяет IoT как всемирную сеть доступных объектов, чья уникальная адресация основана на стандартных протоколах связи.
Можно выделить следующие сферы использования Интернета Вещей: промышленность и производство; транспорт и перевозки; контроль технического состояния конструкций зданий, качества воздуха, шумового фона и потребляемой энергии; управление отходами; умные парковки и предоставление данных о дорожных пробках; умное уличное освещение и использование в быту.
С технической точки зрения, IoT является не новой технологией, а совокупностью уже существующих средств, которые предоставляют следующие возможности:
Концепция Интернета Вещей является комплексной и подразумевает объединение таких областей как аппаратные средства, сети и программное обеспечение. В результате возникает большое число проблем и задач, которые являются как технологическими, так и социально-правовыми.
Основополагающей задачей IoT является разработка и выбор правильной архитектуры системы, так как от решений на начальных этапах исследований будет зависеть весь дальнейший процесс разработки. На данный момент не существует конкретного соглашения по архитектуре IoT, которое было бы утверждено и использовалось повсеместно.
Наиболее распространенными являются трех и пяти уровневые модели архитектур. Первая из них является базовой и включает уровень восприятия, сетевой и прикладной уровни. Данная модель определяет основную идею IoT, но она недостаточно детализирована, что необходимо для более глубоких исследований. Поэтому в литературе предлагаются архитектуры с большим числом уровней. Например, пятиуровневая модель, которая дополнительно включает в себя уровни обработки и транспортный уровень.
Другими примерами являются облачная и туманная архитектуры. По мнению исследователей, в последнее время появилась тенденция развития туманных вычислений, в которых датчики и сетевые шлюзы выполняют часть задач по обработке и анализу данных.
Туманные и облачные вычисления зачастую используются совместно, так как это необходимо для оптимальной производительности IoT приложений. Для реализации туманных вычислений шлюз может быть встроен между локальными сетями и «облаком». Здесь применяется многоуровневый подход, в котором предоставляются функции мониторинга (контроль используемой мощности и ресурсов), предварительной обработки (фильтрация, обработка и анализ данных), хранения (репликация данных, распространение и хранение) и обеспечения защищенности данных (шифрование и обеспечение целостности и конфиденциальности данных). На текущий момент эта архитектура представляет наибольший интерес, и по мнению исследователей, является наиболее перспективной.
Важной задачей IoT является электропитание устройств, которые постоянно перемещаются и не обладают постоянным источником энергии. Во многих случаях батареи и блоки питания являются проблемными из-за их размера, веса и требований к обслуживанию. Надежды разработчиков и исследователей возлагаются на будущее маломощных процессоров для встроенных систем, которые могут потреблять значительно меньшую энергию. Существуют аккумуляторные беспроводные датчики, которые могут передавать свои показания на расстояние в несколько метров. Как и RFID системы, они получают энергию либо удаленно, либо от самого процесса измерения, например, с помощью пьезоэлектрических или пироэлектрических материалов. Также для уменьшения расходов по питанию необходимо сформировать стек протоколов с наименьшим объемом передаваемых данных.
Отсюда вытекают задачи разработки и выбора стандарта беспроводной связи. С точки зрения энергетических затрат, стандартные технологии, такие как GSM, Wi-Fi и Bluetooth, являются неподходящими – они обладают широкой полосой пропускания и используют недопустимый для IoT систем объем энергии.
Для решения этой проблемы были разработаны стандарты, соответствующие требованиям Интернета вещей, например, IEEE 802.15.4, IEEE 802.11 Low Power, Bluetooth Low Energy, 6LoWPAN, RFID, NFC, ZigBee, Sigfox, LoraWAN и другие протоколы для беспроводных сетей, которые используют мало энергии и совместимы с существующими протоколами транспортного и сетевого уровней.
Разработка веб стека для IoT требует грамотного построения его структуры, которая будет отвечать, как требованиям коммуникационной инфраструктуры (совместимость с существующими стандартами), так и требованиям Интернета вещей. Примерами таких стандартов являются: на уровне представления – CoAP; транспортный уровень – UDP; сетевой уровень – IPv6/6LoWPAN.
Данные стандарты взаимодействуют с коммуникационной инфраструктурой точно также, как и протоколы неограниченного стека, однако объем передаваемых данных значительно меньше. Этот факт способствует уменьшению потребляемой IoT устройствами мощности и увеличению времени их работы.
Схемы адресации являются критичным аспектом в плане уникальности адресов, присваиваемых устройствам IoT, так как они должны однозначно идентифицировать другие устройства и обмениваться с ними информацией. Наиболее важными особенностями создания уникального адреса являются: его однозначность, надежность, устойчивость и масштабируемость.
Существующий и повсеместно используемый протокол IPv4 позволяет идентифицировать лишь группу устройств, находящихся в определенной географической зоне, но не имеет возможности выделить каждый отдельный узел IoT. Облегчить проблемы идентификации устройств может протокол IPv6, однако неоднородность беспроводных узлов, переменные типы данных, одновременные операции и слияние данных с разных устройств еще больше усугубляют проблему.
Следующей проблемой IoT является масштабируемость. По оценкам Cisco, в 2020 году к «облаку» будет подключено 50 миллиардов устройств, а согласно оценкам Gartner – 26 миллиардов. IoT имеет более широкий общий объем, чем обычный Интернет. Поэтому масштабируемость пространства IoT будет более сложной, чем у обычных веб-приложений. Однако большинство данных, полученных устройствами IoT, могут или должны быть обработаны локально и немедленно отброшены.
Веб-пользователи допускают переменную задержку обычных веб-служб, однако временная недоступность датчиков или исполнительных устройств IoT будет непосредственно воздействовать на физический мир. Необходим управляемый, оптимальный подход к обслуживанию различных сетевых трафиков, каждый из которых имеет свои собственные потребности.
Еще одним аспектом IoT является постоянное функционирование сети для повсеместной и неустанной передачи данных. Хотя стек TCP/IP гарантирует это путем маршрутизации более надежным и эффективным способом, от источника до точки назначения, IoT сталкивается с узким местом в интерфейсе между шлюзом и беспроводными сенсорными устройствами. Добавление сетей и устройств не должно снижать производительность сети, функционированию устройств, надежности передачи данных по сети или эффективному использованию устройств из пользовательского интерфейса.
В дополнение к аспектам безопасности, таким как подлинность и надежность канала связи, и целостность сообщений, в IoT будут иметь важное значение и другие требования. Нужно будет предоставить устройству выборочный доступ к кругу услуг, или в определенное время предотвратить общение с другими устройствами. Промежуточное программное обеспечение должно иметь встроенные механизмы для решения этой задачи, наряду с аутентификацией пользователей и реализацией контроля доступа. Многие задачи по защите информации могут быть решены с помощью криптографических методов и требуют больше исследований, прежде чем они могут быть широко использованы.
Международная деятельность в области Интернета Вещей набирает обороты, и многие инициативы осуществляются в отраслях промышленности, научных кругах и на различных уровнях государственного управления. В Европе прилагаются значительные усилия по объединению деятельности исследовательских групп и организаций, охватывающей М2М, WSN и RFID, в единую систему IoT для определения эталонной модели взаимодействия систем Интернета Вещей и ключевых составных блоков для достижения этой цели. В Японии, Корее, США и Австралии реализуются масштабные инициативы, где промышленность и правительственные ведомства сотрудничают по различным программам в области IoT. Интенсивная работа в сфере IoT также ведется и в Китае в его 12-ой пятилетке, в которой указано, что ресурсы и инвестиции должны быть ориентированы на разработку IoT в различных областях.
Отсюда вытекает необходимость создания единого для всех стран союза по решению проблем IoT, чтобы увеличить темпы развития сферы и определить путь для скоординированной реализации этой технологической идеи.
С непрекращающимся расцветом новых технологий IoT концепция Интернета Вещей скоро будет неумолимо развиваться в очень больших масштабах. Эта новая парадигма сетевого взаимодействия будет влиять на каждую часть нашей жизни, начиная от автоматизированных домов до интеллектуального мониторинга здоровья и окружающей среды путем внедрения «интеллекта» в объекты вокруг нас.
Интернет Вещей является комплексной сферой, которая требует разработки стандартов в разных областях. Вследствие сложности и структурности концепции на пути её развития возникает множество задач, связанных с различными областями. Промышленность может извлечь выгоду из развития Интернета Вещей, который тесно связан с телекоммуникационной, аппаратной, программной и сервисной отраслями.
В этой статье мы познакомимся с основными определениями Интернета Вещей и его характеристиками, проведем анализ области и выделим основные проблемы и задачи, стоящие на пути реализации данной концепции.
Что же такое IoT?
Интернет вещей (Internet of Things, IoT) определяется как концепция, в которой большая часть устройств, используемых людьми, будет снабжена микроконтроллерами для управления и сетевыми интерфейсами для цифровой передачи данных и общения между собой. Группа RFID определяет IoT как всемирную сеть доступных объектов, чья уникальная адресация основана на стандартных протоколах связи.
Можно выделить следующие сферы использования Интернета Вещей: промышленность и производство; транспорт и перевозки; контроль технического состояния конструкций зданий, качества воздуха, шумового фона и потребляемой энергии; управление отходами; умные парковки и предоставление данных о дорожных пробках; умное уличное освещение и использование в быту.
С технической точки зрения, IoT является не новой технологией, а совокупностью уже существующих средств, которые предоставляют следующие возможности:
- связь и взаимодействие — объекты могут создавать соединение с интернет-ресурсами или друг с другом и обновлять свое состояние. Первостепенное значение имеют беспроводные технологии, такие как GSM и UMTS, Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee и другие разрабатываемые в настоящее время стандарты беспроводной сети.
- адресуемость — в Интернете Вещей объекты распределены в пространстве и должны иметь однозначную адресацию.
- идентификация позволяет однозначно ассоциировать данные с конкретным объектом и извлекать их. Стандарты RFID и NFC являются примерами технологий, с помощью которых можно идентифицировать даже пассивные объекты, не имеющие встроенные энергетические ресурсы.
- зондирование — IoT устройства собирают информацию об окружающей среде с помощью датчиков, обмениваются ею или изменяют свое состояние под её воздействием.
- встроенная обработка информации — объекты могут быть оснащены процессором или микроконтроллером для мгновенного анализа и обработки информации.
- локализация — устройства знают о своем физическом местоположении, что достигается за счет использования GPS или сети мобильной связи, а также радиомаяков (например, WLAN или RFID ридеров с известными координатами).
Основные проблемы и задачи
Концепция Интернета Вещей является комплексной и подразумевает объединение таких областей как аппаратные средства, сети и программное обеспечение. В результате возникает большое число проблем и задач, которые являются как технологическими, так и социально-правовыми.
Архитектура системы
Основополагающей задачей IoT является разработка и выбор правильной архитектуры системы, так как от решений на начальных этапах исследований будет зависеть весь дальнейший процесс разработки. На данный момент не существует конкретного соглашения по архитектуре IoT, которое было бы утверждено и использовалось повсеместно.
Наиболее распространенными являются трех и пяти уровневые модели архитектур. Первая из них является базовой и включает уровень восприятия, сетевой и прикладной уровни. Данная модель определяет основную идею IoT, но она недостаточно детализирована, что необходимо для более глубоких исследований. Поэтому в литературе предлагаются архитектуры с большим числом уровней. Например, пятиуровневая модель, которая дополнительно включает в себя уровни обработки и транспортный уровень.
Другими примерами являются облачная и туманная архитектуры. По мнению исследователей, в последнее время появилась тенденция развития туманных вычислений, в которых датчики и сетевые шлюзы выполняют часть задач по обработке и анализу данных.
Туманные и облачные вычисления зачастую используются совместно, так как это необходимо для оптимальной производительности IoT приложений. Для реализации туманных вычислений шлюз может быть встроен между локальными сетями и «облаком». Здесь применяется многоуровневый подход, в котором предоставляются функции мониторинга (контроль используемой мощности и ресурсов), предварительной обработки (фильтрация, обработка и анализ данных), хранения (репликация данных, распространение и хранение) и обеспечения защищенности данных (шифрование и обеспечение целостности и конфиденциальности данных). На текущий момент эта архитектура представляет наибольший интерес, и по мнению исследователей, является наиболее перспективной.
Питание устройств
Важной задачей IoT является электропитание устройств, которые постоянно перемещаются и не обладают постоянным источником энергии. Во многих случаях батареи и блоки питания являются проблемными из-за их размера, веса и требований к обслуживанию. Надежды разработчиков и исследователей возлагаются на будущее маломощных процессоров для встроенных систем, которые могут потреблять значительно меньшую энергию. Существуют аккумуляторные беспроводные датчики, которые могут передавать свои показания на расстояние в несколько метров. Как и RFID системы, они получают энергию либо удаленно, либо от самого процесса измерения, например, с помощью пьезоэлектрических или пироэлектрических материалов. Также для уменьшения расходов по питанию необходимо сформировать стек протоколов с наименьшим объемом передаваемых данных.
Отсюда вытекают задачи разработки и выбора стандарта беспроводной связи. С точки зрения энергетических затрат, стандартные технологии, такие как GSM, Wi-Fi и Bluetooth, являются неподходящими – они обладают широкой полосой пропускания и используют недопустимый для IoT систем объем энергии.
Для решения этой проблемы были разработаны стандарты, соответствующие требованиям Интернета вещей, например, IEEE 802.15.4, IEEE 802.11 Low Power, Bluetooth Low Energy, 6LoWPAN, RFID, NFC, ZigBee, Sigfox, LoraWAN и другие протоколы для беспроводных сетей, которые используют мало энергии и совместимы с существующими протоколами транспортного и сетевого уровней.
Разработка стека веб протоколов
Разработка веб стека для IoT требует грамотного построения его структуры, которая будет отвечать, как требованиям коммуникационной инфраструктуры (совместимость с существующими стандартами), так и требованиям Интернета вещей. Примерами таких стандартов являются: на уровне представления – CoAP; транспортный уровень – UDP; сетевой уровень – IPv6/6LoWPAN.
Данные стандарты взаимодействуют с коммуникационной инфраструктурой точно также, как и протоколы неограниченного стека, однако объем передаваемых данных значительно меньше. Этот факт способствует уменьшению потребляемой IoT устройствами мощности и увеличению времени их работы.
Схема адресации устройств
Схемы адресации являются критичным аспектом в плане уникальности адресов, присваиваемых устройствам IoT, так как они должны однозначно идентифицировать другие устройства и обмениваться с ними информацией. Наиболее важными особенностями создания уникального адреса являются: его однозначность, надежность, устойчивость и масштабируемость.
Существующий и повсеместно используемый протокол IPv4 позволяет идентифицировать лишь группу устройств, находящихся в определенной географической зоне, но не имеет возможности выделить каждый отдельный узел IoT. Облегчить проблемы идентификации устройств может протокол IPv6, однако неоднородность беспроводных узлов, переменные типы данных, одновременные операции и слияние данных с разных устройств еще больше усугубляют проблему.
Масштабируемость IoT систем
Следующей проблемой IoT является масштабируемость. По оценкам Cisco, в 2020 году к «облаку» будет подключено 50 миллиардов устройств, а согласно оценкам Gartner – 26 миллиардов. IoT имеет более широкий общий объем, чем обычный Интернет. Поэтому масштабируемость пространства IoT будет более сложной, чем у обычных веб-приложений. Однако большинство данных, полученных устройствами IoT, могут или должны быть обработаны локально и немедленно отброшены.
Гарантированное качество обслуживания (QoS)
Веб-пользователи допускают переменную задержку обычных веб-служб, однако временная недоступность датчиков или исполнительных устройств IoT будет непосредственно воздействовать на физический мир. Необходим управляемый, оптимальный подход к обслуживанию различных сетевых трафиков, каждый из которых имеет свои собственные потребности.
Еще одним аспектом IoT является постоянное функционирование сети для повсеместной и неустанной передачи данных. Хотя стек TCP/IP гарантирует это путем маршрутизации более надежным и эффективным способом, от источника до точки назначения, IoT сталкивается с узким местом в интерфейсе между шлюзом и беспроводными сенсорными устройствами. Добавление сетей и устройств не должно снижать производительность сети, функционированию устройств, надежности передачи данных по сети или эффективному использованию устройств из пользовательского интерфейса.
Безопасность и конфиденциальность личной информации
В дополнение к аспектам безопасности, таким как подлинность и надежность канала связи, и целостность сообщений, в IoT будут иметь важное значение и другие требования. Нужно будет предоставить устройству выборочный доступ к кругу услуг, или в определенное время предотвратить общение с другими устройствами. Промежуточное программное обеспечение должно иметь встроенные механизмы для решения этой задачи, наряду с аутентификацией пользователей и реализацией контроля доступа. Многие задачи по защите информации могут быть решены с помощью криптографических методов и требуют больше исследований, прежде чем они могут быть широко использованы.
Международная деятельность
Международная деятельность в области Интернета Вещей набирает обороты, и многие инициативы осуществляются в отраслях промышленности, научных кругах и на различных уровнях государственного управления. В Европе прилагаются значительные усилия по объединению деятельности исследовательских групп и организаций, охватывающей М2М, WSN и RFID, в единую систему IoT для определения эталонной модели взаимодействия систем Интернета Вещей и ключевых составных блоков для достижения этой цели. В Японии, Корее, США и Австралии реализуются масштабные инициативы, где промышленность и правительственные ведомства сотрудничают по различным программам в области IoT. Интенсивная работа в сфере IoT также ведется и в Китае в его 12-ой пятилетке, в которой указано, что ресурсы и инвестиции должны быть ориентированы на разработку IoT в различных областях.
Отсюда вытекает необходимость создания единого для всех стран союза по решению проблем IoT, чтобы увеличить темпы развития сферы и определить путь для скоординированной реализации этой технологической идеи.
Что в итоге?
С непрекращающимся расцветом новых технологий IoT концепция Интернета Вещей скоро будет неумолимо развиваться в очень больших масштабах. Эта новая парадигма сетевого взаимодействия будет влиять на каждую часть нашей жизни, начиная от автоматизированных домов до интеллектуального мониторинга здоровья и окружающей среды путем внедрения «интеллекта» в объекты вокруг нас.
Интернет Вещей является комплексной сферой, которая требует разработки стандартов в разных областях. Вследствие сложности и структурности концепции на пути её развития возникает множество задач, связанных с различными областями. Промышленность может извлечь выгоду из развития Интернета Вещей, который тесно связан с телекоммуникационной, аппаратной, программной и сервисной отраслями.
