Лекція з курсу Проектування Інтернет речей (IoT)
По матеріалах:
А. В. Росляков, С. В. Ваняшин, А. Ю. Гребешков ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ Учебное пособие
http://elib.psuti.ru/Roslyakov_Vanyashin_Grebeshkov_Internet_veschej.pdf
+ інтернет
2. Лекція 1. Загальні поняття Інтернету речей
Питання:
1. Що таке Інтернет речей?
2. Базові принципи IoT.
3. Стандартизація IoT.
4. Архітектура IoT.
5. Веб речей WoT.
6. Інтернет нано-речей.
7. Когнітивний інтернет речей CIoT.
8. Способи взаємодії з інтернет-речима.
9. Напрямки практичного застосування IoT.
10.Проблеми впровадження IoT.
3. Вступ
Ідея Інтернету речей сама по собі дуже проста. У найзагальнішому вигляді з
інформаційно-комунікаційної точки зору Інтернет речей можна записати у
вигляді такої символічної формули:
IoT = Сенсори (давачі) + Дані + Мережі + Послуги
Простіше кажучи, Інтернет речей - це глобальна мережа комп'ютерів, датчиків
(Сенсорів) і виконавчих пристроїв (актюаторів), що зв'язуються між собою з
використанням інтернет протоколу IP (Internet Protocol).
Набуває поширення також термін англ. Internet of Everything, IoE — всеохопний,
або всеосяжний інтернет.
4. Наприклад, для вирішення певної задачі комп'ютер зв'язується через
публічний інтернет з невеликим пристроєм, до якого підключений
відповідний датчик (наприклад, температури), як це показано на рисунку 1.
Рис. 1. Приклад реалізації IoT
5. Концепція IoT відіграє визначальну роль у подальшому розвитку
інформаційно-комунікаційної галузі. Це підтверджується як позицією
Міжнародного союзу електрозв'язку (МСЕ) і Європейського Союзу в
даному питанні, так і включенням Інтернету речей в перелік проривних
технологій в США, Китаї та інших країнах. І хоча на міжнародному рівні
дана концепція вже набуває рис такої, що сформувалася технології, для
неї ведуться активні роботи в області стандартизації архітектури,
технічних компонентів, додатків.
6. 1. Що таке інтернет речей?
NGN (англ. Next Generation Network — мережа наступного покоління) — це
мультисервісна мережа зв'язку, яка підтримує інтеграцію послуг передавання мови,
даних та мультимедіа та базується на IP-мережі (на відміну від ISDN). Основна
відмінність мереж наступного покоління від традиційних мереж в тому, що вся
інформація, яка циркулює в мережі, розбита на дві складові. Це сигнальна інформація,
що забезпечує комутацію абонентів та надання послуг, і безпосередньо дані
користувача, що містять корисну інформацію, призначену абоненту (голос, відео, дані).
Шляхи проходження сигнальних повідомлень і даних користувача можуть не збігатися.
7. Останнім часом значного розвитку набули методи радіочастотної
ідентифікації RFID (Radio Frequency IDentification), бездротові сенсорні
мережі WSN (Wireless Sensor Network), комунікації малого радіусу дії NFC
(Near Field Comunication) і міжмашинної комунікації М2М (Machine-to-
Machine), які , інтегруючись з інтернетом, дозволяють забезпечити
простий зв'язок різних технічних пристроїв («речей»), кількість яких може
бути величезною.
Рис.2.Часова шкала зміни кількості людей і пристроїв, підключених до інтернет
(джерело: Cisco IBSG, 2011)
8.
9. Процес розвитку Інтернету речей проілюстрований технологічної
дорожньою картою, наведеною на рис. 3.
Рис.3.Технологічна дорожня карта IoT (Джерело: SRI Consulting Business Intelligence)
10. 2. Базові принципи IoT.
Інтернет речей грунтується на трьох базових принципах.
По-перше, повсюдно поширену комунікаційну інфраструктуру, по-друге,
глобальну ідентифікацію кожного об'єкта і, по-третє, можливість кожного об'єкта
відправляти і отримувати дані за допомогою персональної мережі або мережі
Інтернет, до якої він підключений.
Найбільш важливими відмінностями Інтернету речей від існуючого інтернету
людей є:
• фокус на речах, а не на людині;
• істотно більша кількість підключених об'єктів;
• істотно менші розміри об'єктів і невисокі швидкості передачі даних;
• фокус на зчитуванні інформації, а не на комунікаціях;
• необхідність створення нової інфраструктури і альтернативних стандартів.
11. Офіційне визначення Інтернету речей наведено в Рекомендації МСЕ-Т
Y.2060, згідно з яким IoT - глобальна інфраструктура інформаційного
суспільства, яка забезпечує передові послуги за рахунок організації
зв'язку між речами (фізичними або віртуальними) на основі існуючих і
таких, що розвиваються, сумісних інформаційних і комунікаційних
технологій.
12. Слід розрізняти поняття «Інтернет речей» і «інтернет-річ». Під інтернет-річчю
розуміється будь-який пристрій, який:
• має доступ до мережі Інтернет з метою передачі або запиту будь-яких даних;
• має конкретну адресу в глобальній мережі або ідентифікатор, за яким можна
здійснити зворотний зв'язок з річчю;
• має інтерфейс для взаємодії з користувачем.
13. 3. Стандартизація IoT
В рамках діяльності сектора стандартизації телекомунікацій Міжнародного
союзу електрозв'язку (МСЕ-Т) є три глобальні ініціативи GSI (Global Standards
Initiative). Під глобальної ініціативою розуміється комплекс робіт, виконуваних
паралельно різними дослідницькими комісіями МСЕ відповідно до
скоординованого плану роботи. Одна з таких ініціатив присвячена
стандартизації Інтернету речей - IoT-GSI (Global Standards Initiative on Internet of
Things). Дві інші глобальні ініціативи - по стандартизації мереж наступних
поколінь NGN-GSI і систем телебачення на основі протоколу Інтернет IPTV-GSI -
також базуються на використанні IP-технологій, як і IoT-GSI.
14. В РекомендаціїY.2060 приведена еталонна модель IoT, яка дуже схожа на
модель NGN і також включає чотири базових горизонтальних рівня (рис. 4):
• рівень додатків IoT;
• рівень підтримки додатків і послуг;
• мережевий рівень;
• рівень пристроїв.
Рис. 4. Еталонная модель IоT згідно МСЕ-Т Y.2060
15. Функціональна модель IoT-A (рис. 5) дещо відрізняється від моделі МСЕ
(див. Рис. 4), хоча вона теж є ієрархічною, але складається вже з семи
горизонтальних рівнів, що доповнюються двома вертикальними
(управління і безпека), які беруть участь у всіх процесах.
Рис. 5. Функціональна модель архітектури IoT-A
18. 5. Веб речейWoT
На рисунку показаний приклад, як використовуючи спеціальну сторінку в
інтернеті через браузер можна зчитати дані з датчика світла в бездротовій
сенсорній мережі або змінити колір четвертого індикатора в сенсорі.
19. Основні властивостіWoT:
1. Використовує протокол HTTP в якості додатку, а не в якості транспортного
механізму передачі даних, як він застосовується для традиційних WWW-послуг.
2. Забезпечує синхронну роботу інтелектуальних (смарт) об'єктів через
прикладний програмний інтерфейс REST (також відомий як RESTful API) і в
цілому відповідає ресурсно-орієнтованій архітектурі ROA (Resource-Oriented
Architecture).
3. Надає асинхронний режим роботи інтелектуальних об'єктів з використанням в
значній мірі стандартних Web-технологій, таких як Atom, містить формат для
опису ресурсів на веб-сайтах і протокол для їх публікації, або Web-механізмів
передачі даних, таких як модель роботи веб-додатку Comet, при якій постійне
HTTP-з'єднання дозволяє веб-серверу відправляти дані браузеру без
додаткового запиту з боку браузера.
20. 6. Інтернет нано-речей
На рис. 9 представлена архітектура Інтернету нано-речей в двох різних
реалізаціях - мережа на тілі людини для моніторингу показників здоров'я і
відправки їх в медичний центр, і сучасну офісну мережу, що з'єднує безліч
різних пристроїв.
21. Незалежно від сфери застосування, основними компонентами архітектури мережі
Інтернету нано-речей є:
1. Нано-вузли - мініатюрні і найпростіші нано-пристрої. Дозволяють виконувати
найпростіші розрахунки, мають обмежену пам'ять і обмежену дальність передачі
сигналів. Прикладами нано-вузлів можуть бути біологічні нано-сенсори на
людському тілі або всередині нього або нано-пристрої, вбудовані в повсякденні
оточуючі нас речі - книги, годинник, ключі і т.д.
2. Нано-шлюзи - дані нано-пристрої мають відносно високу продуктивність в
порівнянні з нано-вузлами і виконують функцію збору інформації від нано-вузлів.
Крім того, нано-шлюзи можуть контролювати поведінку нано-вузлів шляхом
виконання простих команд (вкл. / викл., режим сну, передати дані і т.д.).
3. Нано-мікро інтерфейси - пристрої, які збирають інформацію від нано-шлюзів, і
передають її в зовнішні мережі. Дані пристрої включають в себе як нано-технології
комунікацій, так і традиційні технології для передачі інформації в існуючі мережі.
4. Шлюз – пристрій, що здійснює контроль всієї нано-мережі через мережу Інтернет.
Наприклад, у випадку мережі з сенсорами на тілі людини цю функцію може
виконувати мобільний телефон, який транслює інформацію про необхідні показники
в медичну установу.
22. 7. Когнітивний Інтернет речей CIoT
Когнітивність означає наявність у об'єкта IoT наступних загальних властивостей:
• здатність до самоаналізу і реконфігурації з урахуванням наявного оточення, а також маючи на меті досягнення цілей,
обумовлених виконуваними завданнями;
• здатність адаптувати свій стан згідно з наявними умовами або подіями, на основі певних критеріїв і знань про попередні
стани;
• можливість динамічно змінювати свою топологію і / або експлуатаційні параметри відповідно до вимог конкретного
користувача, коли це необхідно в рамках поточної політики обслуговування, оптимізації пропускної здатності мережі
або інших показників;
• самоконфігурація з наявністю розподіленого управління на основі правил;
• можливість самостійного визначення свого поточного стану і, з урахуванням цього стану - планування своєї роботи,
приймаючи певні рішення у відповідь на ситуацію, що склалася.
Припускається, що на практиці когнітивні інтернет-речі зможуть:
• використовувати технології отримання знань про своє операційне і географічне середовище, місцезнаходження,
наприклад за допомогою стандартних технологій позиціонування GPS / ГЛОНАСС;
• встановлювати самостійно або використовувати готові правила взаємодії між об'єктами (інтернет-речами);
• динамічно і автономно коригувати свої операційні (робочі) параметри і протоколи відповідно до отриманих знань для
досягнення заздалегідь визначених цілей, зокрема вибирати найбільш підходящу технологію передачі радіосигналу;
• навчатися на основі досягнутих результатів з використанням кращих практик і найбільш ефективних політик для
досягнення цілей створення IoT.
23. 8. Способи взаємодії з інтернет-речами
Використовують 3 способи взаємодії з інтернет-речами:
1) прямий доступ;
2) доступ через шлюз;
3) доступ через сервер.
24. Основною метою використання посередницьких платформ даних є спрощення
пошуку, контролю, візуалізації і обміну даними з різними «речами». В основі
даного підходу лежить централізоване сховище даних. Кожен пристрій, що має
доступ в мережу Інтернет (прямий або через інтернет-шлюз), має бути
зареєстрований в системі, перш ніж він зможе почати передачу даних. При цьому
істотно знижуються вимоги до продуктивності пристроїв, так як від них не
вимагається виконання функцій web-сервера. Набір інструментів, що надаються
платформами, істотно спрощує розробку нових додатків для взаємодії і
управління об'єктамиWoT.
25. 9. Напрямки практичного застосування IoT
На основі Інтернету речей можуть бути реалізовані всілякі «розумні» (smart) додатки в різних
сферах діяльності і життя людини:
«Розумна планета» - людина зможе буквально «тримати руку на пульсі» планети: своєчасно
реагувати на упущення в плануванні господарств, забруднення та інші екологічні проблеми, а
значить, ефективно розпоряджатися невідновлюваними ресурсами.
«Розумне місто» - міська інфраструктура і супутні муніципальні послуги, такі як освіта, охорона
здоров'я, громадська безпека, ЖКГ, стануть більше пов'язаними і ефективними.
«Розумний будинок» - система буде розпізнавати конкретні ситуації, що відбуваються в будинку,
і реагувати на них відповідним чином, що забезпечить мешканцям безпеку, комфорт і
ресурсозбереження.
«Розумна енергетика» - буде забезпечена надійна і якісна передача електричної енергії від
джерела до приймача в потрібний час і в необхідній кількості.
«Розумний транспорт» - переміщення пасажирів з однієї точки простору в іншу стане зручнішим,
швидшим і безпечнішим.
«Розумна медицина» - лікарі і пацієнти зможуть отримати віддалений доступ до дорогому
медичного обладнання або до електронної історії хвороби в будь-якому місці, буде реалізована
система віддаленого моніторингу здоров'я, автоматизована видача лікарських препаратів
хворим і багато іншого.
26. 10. Проблеми впровадження IoT
Широкому впровадженню Інтернету речей перешкоджають складні
технічні та організаційні проблеми, зокрема, пов'язані зі
стандартизацією. Єдиних стандартів для інтернету речей поки немає,
що ускладнює можливість інтеграції пропонованих на ринку рішень і
багато в чому стримує появу нових. Найсильніше глобальному
впровадженню перешкоджає розпливчастість формулювань
концепції інтернету речей і велике число регуляторів і їх нормативних
актів.
27. Рушійні фактори Стримуючі фактори
Стрімкий розвиток інформаційно-
комунікаційних технологій
Необхідність прийняття загальних стандартів
Мода на смартфони, планшети та інші мобільні
пристрої
Повільний перехід до протоколу IPv6
Логістика та управління постачанням Ризик закритості приватних мереж
Підвищення безпеки та зручності
автотранспорту
Несумісність ряду компонентів
Необхідність збереження навколишнього
середовища та зниження енергозатрат
Проблема захисту персональних даних та
безпеки
Розвиток сфери контролю за контрафактною
продукцією і захисту від крадіжок
Порівняно висока вартість інтеграції
Підтримка держав та дії інноваторів
