Особенности развития технологии IoT
10 марта 2020
Рубрика: Обзоры и мнения.
Автор: .

Для современного уровня формирования информационного общества характерно интенсивное развитие концепции Интернета Вещей. Происходит интенсивное развитие самоорганизующихся сетей связи, в которых абонентами являются не только люди, но и разнообразные автоматические устройства, которые осуществляют информационное взаимодействие друг с другом без прямого участия человека в рамках межмашинной коммуникации (M2M). Концепция Интернета Вещей значительно расширяет область применения сетей связи и набор предоставляемых ими услуг.

Под Интернетом вещей (internet of things, IoT) понимается совокупность разнообразных приборов, датчиков, устройств, объединённых в сеть посредством любых доступных каналов связи, использующих различные протоколы взаимодействия между собой и единственный протокол доступа к глобальной сети [1]. В роли глобальной сети для Интернет-вещей в настоящий момент используется сеть Интернет.

Если все объекты (вещи) будут снабжены миниатюрными радиометками, то их можно будет дистанционно идентифицировать, а при наличии определенного «интеллекта» – и управлять ими. По оценкам экспертов компании Cisco количество объектов, которые Интернет вещей сможет соединить между собой, будет сравнимо с количеством атомов на поверхности Земли [2].

В связи с бурным развитием сетей с пакетной коммутацией и прежде всего Интернета в начале 2000-х годов мировое телекоммуникационное сообщество сначала выработало, а затем и приступило к реализации новой парадигмы развития коммуникаций – сетей следующего поколения NGN (Next Generation Networks). Технологии NGN уже прошли эволюционный путь развития от гибких коммутаторов (Softswitch) до подсистем мультимедийной связи IMS (IP Multimedia Subsystem) и беспроводных сетей долговременной эволюции LTE (Long Term Evolution). При этом всегда предполагалось, что основными пользователями сетей NGN будут люди и, следовательно, максимальное число абонентов в таких сетях всегда будет ограничено численностью населения планеты Земля [1].

Однако в последнее время значительное развитие получили методы радиочастотной идентификации RFID (Radio Frequency IDentification), беспроводные сенсорные сети WSN (Wireless Sensor Network), коммуникации малого радиуса действия NFC (Near Field Communication) и межмашинные коммуникации М2М (Machine-to-Machine), которые, интегрируясь с интернет, позволяют обеспечить простую связь различных технических устройств («вещей»), число которых может быть огромным. По расчетам консалтингового подразделения Cisco IBSG в промежутке между 2008 и 2009 годами количество подключенных к интернету предметов превысило количество людей [2], к 2015 году количество подключенных устройств достиг 25 миллиардов, а к 2020 году – 50 миллиардов [3]. Таким образом, в настоящее время происходит эволюционный переход от «Интернета людей» к «Интернету вещей», IoT (Internet of Things).

Временная шкала изменения количества людей и предметов, подключенных к интернету по данным Cisco IBSG, 2011

В 1926 Никола Тесла в интервью для журнала «Collier’s» сказал, что в будущем радио будет преобразовано в «большой мозг», все вещи станут частью единого целого, а инструменты, благодаря которым это станет возможным, будут легко помещаться в кармане [1].

Одним из первых подключенных к сети устройств стал вендинговый аппарат по продаже Coca-Cola, установленный в Университете Карнеги — Меллон в 1982 году. Так, аппарат имел возможность передавать данные о количестве содержащихся в нем бутылок и о своем состоянии в целом.

Еще в конце 70-х обсуждалась возможность полной автоматизации передачи данных. Тогда подобный подход назывался “повсеместные вычисления” (pervasive computing). Технологиям потребовалось несколько десятилетий развития для того, чтобы наконец стало возможным заговорить об Интернете вещей [4].

Периодом активных обсуждений сетей, которые смогли бы обеспечить межмашинное взаимодействие стали 1990-е годы. Например, руководитель исследовательских работ в Xerox PARC (исследовательском центре компании Xerox) Марк Вейзер предложил концепцию повсеместного компьютинга, предполагавшую массовое внедрение компьютеров и организацию связи между ними, благодаря которой машины самостоятельно бы решали повседневные задачи пользователя [5].

Первая «интернет-вещь» появилась в 1990 году. Это тостер, разработанный американцем Джоном Ромки, одним из создателей протокола TCP/IP. Подсоединив кухонного помощника к Всемирной паутине, инженер сумел включить и выключить его удаленно. Не подозревая, что его эксперимент станет спусковым механизмом, который вызовет «эффект лавины» и начнет формировать новую реальность.

Концепция и термин для Интернета вещей впервые сформулированы основателем исследовательской группы Auto-ID при Массачусетском технологическом институте Кевином Эштоном (англ. Kevin Ashton) в 1999 году на презентации для руководства Procter & Gamble [6]. Он заметил, что оптимизация напрямую зависит от скорости передачи и обработки данных. Когда сбором и обработкой данных занимаются люди, то на это могут уйти дни. Использование радиочастотной идентификации (RFID) позволило ускорить процесс передачи данных непосредственно между устройствами. Именно тогда у него и появилась идея — а что, если вещи будут собирать, обрабатывать и передавать данные без участия человека? [4]

Хотя в области стандартов был достигнут значительный прогресс, впереди ждет большая работа, особенно в таких областях, как безопасность, защита личной информации, архитектура и коммуникации. IEEE — одна из организаций, пытающаяся решить указанные проблемы за счет стандартизации методов передачи пакетов IPv6 по сетям разных типов.

Комиссар ЕС по вопросам информационного общества Нили Кроес в 2012 году объявила о начале открытых консультаций по теме регулирования рынка подключаемых к беспроводным сетям устройств — так называемого «Интернета вещей». Такие устройства собирают, передают и хранят данные, которые можно считать личными данными владельца, и в Еврокомиссии пытаются найти оптимальное решение, учитывающее как необходимость защиты личных данных, так и необходимость обеспечения совместимости и удобства работы. В опубликованном в январе проекте нового европейского закона о защите данных есть положения, относящиеся к новым технологиям — например, к сбору данных о местоположении — но этот закон может вступить в силу не раньше, чем через два года [7].

К началу ноября 2014 года разработкой универсальных спецификаций для «умной» электроники и соответствующей программы сертификации занимаются несколько организаций, среди которых альянс Open Connectivity Foundation (OCF), в который входят Dell, Intel и Samsung Electronics. Аналитики BI Intelligence говорят, что, помимо унификации технологий, этому консорциуму и другим объединениям предстоит решить проблему информационной безопасности, которая имеет место в сфере «Интернета вещей».

По данным на 2016 год архитектура IoT только формируется, однако к системообразующим относятся четыре уровня: устройства, связь, обработка и управление данными. Свои эталонные модели предлагают США, Германия и ЕС, Китай.

В рамках деятельности сектора стандартизации телекоммуникаций Международного союза электросвязи (МСЭ-Т) имеются три глобальных инициативы GSI (Global Standards Initiative). Под глобальной инициативой понимается комплекс работ, выполняемых параллельно разными исследовательскими комиссиями МСЭ в соответствии со скоординированным планом работы. Одна из таких инициатив посвящена стандартизации Интернета вещей – IoT-GSI (Global Standards Initiative on Internet of Things). IoT-GSI строит свою работу на основе усилий МСЭ-Т в таких областях, как сетевые аспекты идентификационных систем (Network Identificator, NID), всепроникающие сенсорные сети (Ubiquitous Sensor Networks, USN), межмашинная связь (M2М), WEB вещей (WoT) и т.п.

В Рекомендации Y.2060 приведена эталонная модель IoT, которая очень похожа на модель NGN и также включает четыре базовых горизонтальных уровнях [8]:

— уровень приложений IoT;

— уровень поддержки приложений и услуг;

— сетевой уровень;

— уровень устройств.

Эталонная модель IoT согласно МСЭ-Т Y.2060

Уровень приложений IoT в Рекомендации Y.2060 детально не рассматривается.

Уровень поддержки приложений и услуг включает общие возможности для различных объектов IoT по обработке и хранению данных, а также возможности, необходимые для некоторых приложений IoT или групп таких приложений.

Сетевой уровень включает сетевые возможности (функция управления ресурсами сети доступа и транспортной сети, управления мобильностью, функции авторизации, аутентификации и расчетов, AAA) и транспортные возможности (обеспечение связности сети для передачи информации приложений и услуг IoT).

Наконец, уровень устройств включает возможности устройства и возможности шлюза. Возможности устройства предполагают прямой обмен с сетью связи, обмен через шлюз, обмен через беспроводную динамическую ad-hoc сеть, а также временный останов и возобновление работы устройства для энергосбережения. Возможности шлюза предполагают поддержку множества интерфейсов для устройств (шина CAN, ZigBee, Bluetooth, WiFi и др.) и для сетей доступа/транспортных сетей (2G/3G, LTE, DSL и др.). Другой возможностью шлюза является поддержка конверсии протоколов, в случае, если протоколы интерфейсов устройств и сетей отличаются друг от друга.

Существует также два вертикальных уровня – уровень управления и уровень безопасности, охватывающие все четыре горизонтальных уровня. Возможности вертикального уровня эксплуатационного управления предусматривают управление последствиями отказов, возможностями сети, конфигурацией, безопасностью и данными для биллинга. Основными объектами управления являются устройства, локальные сети и их 12 топология, трафик и перегрузки на сетях.

Возможности вертикального уровня безопасности зависят от горизонтального уровня. Для уровня поддержки приложений и услуг определены функции AAA, антивирусная защита, тесты целостности данных. Для сетевого уровня – возможности авторизации, аутентификации, защиты информации протоколов сигнализации. На уровне устройств – возможности авторизации, аутентификации, контроль доступа и конфиденциальность данных.

В документе ITU Y.1540 определен ряд сетевых характеристик, рассматриваемых как наиболее важных с точки зрения их влияния на качество обслуживания трафика (между интерфейсами пользователь-сеть User Network Interface – UNI). [9] Это такие параметры как:

  • Пропускная способность;
  • Надёжность сети;
  • Задержка передачи;
  • Вариация задержки;
  • Коэффициент потерь;.
  • Коэффициент ошибок.

Возвращаясь к вопросу стандартизации Интернет вещей можно отметить, что актуальных стандартов беспроводной связи хватает для повседневных задач: общение, просмотр видео из Сети, работа в «облачных сервисах» и т. д. Однако IoT предполагает стремительный рост количества подключенных к интернету устройств. Для активного развития интернета вещей нужно внедрить протокол стандарта 5G – он позволит гораздо более эффективно работать с большим количеством приборов. За последний год в мире было развернуто несколько тестовых 5G-сетей, а одна из крупнейших конференций по электронике, MWC Shanghai 2019, была почти полностью посвящена сетям нового поколения и ее применению для интернета вещей.

В качестве альтернативы разрабатывается стандарт LPWAN – вариация технологии Wi-Fi, подразумевающая прямое взаимодействие устройств с базовой станцией широкого радиуса действия. В отличие от Wi-Fi (ограничение до 100 м), LPWAN может обеспечивать покрытие до 15 км, а преимущество стандарта перед сотовыми вышками – высокая энергоэффективность (на тех же аккумуляторах устройства будут работать дольше). Однако разработчикам предстоит решить главную проблему – низкую пропускную способность, поскольку большое количество устройств потребует широкого канала связи.

Поскольку устройства, производятся компаниями из разных стран, автоматически встает вопрос стандарта связи между ними. Устройства системы Apple HomeKit, Xiaomi и «Яндекса», скорее всего, не будут работать между собой и в одной сети умного дома, не говоря уже о взаимодействии решений для производств и медицинских учреждений [10].

Такие компании, как Open Connectivity Foundation, Internet Engineering Task Force, Zigbee Alliance, имеют собственные стандартные протоколы, но между собой пока договориться не могут. В мае 2019‑го технический комитет «Кибер-физические системы» при Росстандарте РФ получил статус соредактора международного стандарта ISO/IEC технологии интернета вещей. 24 июня комитет представил проекты предварительных национальных стандартов, до сентября они доступны для открытого обсуждения, после чего будут представлены в ISO/IEC.

Стандартизация различных технологий и средств взаимодействия играет ключевую роль в развитии всего ИО в целом, однако, для систематизации всего накопленного за долгое время банка стандартов и анализа возможности их применения для предоставления какой-либо ИК-услуги необходимы единые стандарты самого процесса предоставления услуги.

Такой подход имеет множество преимуществ для потребителей ИК-услуг, а также позволяет разграничить ответственность за нарушения процесса предоставления услуги между провайдером услуги и производителем оборудования, что упрощает администрирование услуг [11].

Важно отметить, что подобный подход не предполагает остановку дальнейшей стандартизации различных технологий (например, IoT), но подразумевает разработку единых социотехнических стандартов, объединяющих требования на технические характеристики или параметры и социально-экономические нормы процесса предоставления услуги. Разработка таких стандартов на ИК-услуги необходима для формирования единой инфокоммуникационной среды.

Концепция IoT, играет определяющую роль в дальнейшем развитии инфокоммуникационной отрасли. Это подтверждается как позицией Международного союза электросвязи (МСЭ) и Европейского Союза в данном вопросе, так и включением Интернета вещей в перечень вещей в перечень прорывных технологий в США, Китае и других странах.

Реагируя автономно на физические события в реальном мире, запускаются процессы, которые приводят к действию и создают сервисы, как с участием человека, так и без него. Таким образом, появляется необходимость определения моделей обслуживания, которые могут классифицировать приложения IoT, а затем определить значения показателей качества обслуживания (QoS), необходимые для удовлетворения потребностей этих сервисов.

Литература

  1. Интернет вещей: учебное пособие [текст] / А.В. Росляков, С.В. Ваняшин, А.Ю. Гребешков. — Самара: ПГУТИ, 2015. — 10-12 с.
  2. Dave Evans. The Internet of Things. How the Next Evolution of the Internet Is Changing Everything (англ.) Cisco White Paper. Cisco Systems, 2011.
  3. Проблемы и перспективы Интернета вещей [Электронный ресурс]. — Источник: http://rusbase.com/opinion/russian-iot/
  4. История Интернета вещей. С чего всё начиналось? [электронный ресурс]. — Источник: https://perenio.ua/ru/blog/the-history-of-the-internet-of-things
  5. Интернет вещей [электронный ресурс]. — Источник: https://iot.ru/wiki/internet-veshchey
  6. Рудская Е. Н., Гурьева К. Н. Интернет Вещей: новый этап коммерциализации достижений технологической революции // Молодой ученый. — 2016. — №25. — С. 365-372.
  7. Что такое интернет вещей Internet of Things, IoT [электронный ресурс]. — Источник: http://www.tadviser.ru
  8. МСЭ-Т. Y.2060 (06/2012): Обзор интернета вещей
  9. МСЭ-Т. Y.1540 (06/2012): Обзор интернета вещей
  10. Дворак М. К чему приведет экспансия интернета вещей, методично захватывающего нашу цивилизацию. Журнал «Наука и технология». 2019
  11. В.К. Сарьян, Н.А. Сущенко, И.А. Дубнов, А.С. Лутохин. Прошлое, настоящее и будущее стандартизации Интернета вещей
  12. Kevin Ashton. That ‘Internet of Things’ Thing. In the real world, things matter more than ideas // RFID Journal, 22 June 2009.

Авторы статьи : Р.Х. Джураев, С.Р. Ботиров, К.Р. Ким, Ташкентский университет информационных технологий имени Мухаммада ал-Хоразмий, г. Ташкент

Orphus system
Подписывайтесь на канал infoCOM.UZ в Telegram, чтобы первыми узнавать об ИКТ новостях Узбекистана
В Telegram
В WhatsApp
В Одноклассники
ВКонтакте