Сетевые технологии интернета вещей. Интернет вещей - что это такое? Развитие интернета вещей в России

«Интернет вещей», Internet of things (IoT) - это модное сегодня словосочетание является одним из наиболее цитируемых терминов в ИТ-публикациях. Аналитики говорят о быстрорастущем рынке IoT, о влиянии на него социальных, облачных и, конечно, мобильных технологий, при этом не совсем очевидно, что к этому IoT-рынку относится. С толкованием самого термина тоже не всё однозначно. От вендора к вендору, от автора к автору определения различаются весьма существенно. Причем в зависимости от толкования само явление представляется либо грядущей перспективой, либо свершившимся фактом. Автор данной статьи предпринял попытку сделать сравнительный анализ публикаций на данную тему, разобраться, что же относится к понятию «рынок IoT» и почему в последнее время ему уделяется повышенное внимание.

IoT-концепция и технология

Прежде чем говорить о рынке, необходимо выяснить, что такое IoT, и понять, существует ли определение данного термина. Впрочем, проблема не в отсутствии определений, а напротив, в их избытке. Просмотрев несколько десятков статей и отчетов на тему Internet of things, автор убедился в наличии серьезных расхождений в трактовке этого термина. Действительно, приведем определения из наиболее уважаемых источников. Аналитическая компания Gartner трактует понятие «Интернет вещей» (Internet of Things) как сеть физических объектов, содержащих встроенную технологию, которая позволяет этим объектам измерять параметры собственного состояния или состояния окружающей среды, использовать и передавать эту информацию. Заметим, что в этом определении, кстати, наиболее часто цитируемом, слово «Интернет» вообще отсутствует. То есть, говоря о сети «Интернет вещей», не утверждается, что она является частью Интернета. Более того, согласно выражению одного из специалистов по технологии IoT Мэта Трака (Matt Turck), управляющего директора компании FirstMark Capital, «по иронии, несмотря на название “Интернет вещей”, сами вещи часто связаны с помощью M2M-протоколов, а не самого Интернета». Впрочем, наличие или отсутствие подключения к Интернету - не единственное расхождение в определениях. Согласно толкованию специалистов из компании Cisco Business Solutions Group (CBSG), IoT - это состояние Интернета начиная с момента времени, когда количество «вещей или объектов», подключенных к Всемирной сети, превышает население планеты. CBSG подкрепляет свои выводы расчетами. По данным компании, взрывной рост смартфонов и планшетных компьютеров довел число устройств, подключенных к Интернету, до 12,5 млрд в 2010 году, в то время как число людей, живущих на Земле, увеличилось до 6,8 млрд; таким образом, количество подключенных устройств составило 1,84 единиц на человека. Исходя из этой несложной арифметики, Cisco Business Solutions Group фактически определило саму точку наступления эры «Интернета вещей» (рис. 1). Где-то между 2003-м и 2010-м годом количество подключенных устройств превысило население планеты, что и ознаменовало переход в состояние «Интернет вещей». При этом авторы исследования считают, что количество подключенных устройств на одного человека из числа интернет-пользователей в 2010 году составило 6,25 штук.

Рис. 1. Рост числа подключенных устройств на одного человека
(источник: Cisco Business Solutions Group)

Если Cisco упоминает в связи с термином IoT о взрывном росте смартфонов, подключенных к Сети, то IDC, например, четко говорит, что устройства в концепции IoT должны быть автономно подключены к Интернету и передавать сигналы без участия человека. А потому смартфон, управляемый пользователями, к IoT-устройствам отнесен быть не может.

Согласно IDC, «Интернет вещей» (IoT) - это проводная или беспроводная сеть, соединяющая устройства, которые имеют автономное обеспечение, управляются интеллектуальными системами, снабженными высокоуровневой операционной системой, автономно подключены к Интернету, могут исполнять собственные или облачные приложения и анализировать собираемые данные. Кроме того, они обладают способностью захватывать, анализировать и передавать (принимать данные) от других систем.

Очевидно, что если аналитики оперируют понятием «объем рынка IoT», то опираться на столь расплывчатое определение, как «некое новое состояние Интернета», невозможно. При этом об IoT, как о неком переходе Интернета в новое качество, говорят не только специалисты из CBSG. Обратим внимание на рис. 2, взятый из отчета Internet of Things (IoT) & Machine-To-Machine Communication Market By Technologies & Platforms (marketsandmarkets.com). Он также харакетризует IoT как этап в развитии Интернета, «когда не только люди, но и вещи начинают взаимодействовать между собой, инициировать транзакции, оказывать влияние друг на друга».

Рис. 2. Этапы развития Web 1.0, Web 2.0, Web 3.0
(источник: Internet of Things (IoT) & Machine-To-Machine (M2M) Communication Market
By Technologies & Platforms (marketsandmarkets.com))

В этом плане показательна еще одна схема: иллюстрация из статьи корейского автора Sunsig Kim, опубликованная в 2012 году на сайте i-bada.blogspot.ru/. Здесь состояние IoT представляется как точка перехода - это следующая ступень, по сравнению с технологией M2M (рис. 3). Напротив, в публикациях ряда авторов, включая IDC, можно прочитать, что M2M - это технология, которая, будучи предшественницей технологии IoT, в настоящее время является ее составной частью.

Рис. 3. Переход от технологий M2M к технологиям IoT (источник: Sunsig Kim 8th August 2012 i-bada.blogspot.ru/)

Если описанные нами определения говорят об имеющем место явлении, то, например, в формулировке Кайвана Карими (Kaivan Karimi), исполнительного директора по глобальной стратегии и развитию бизнеса Freescale Semiconductor, IoT - это скорее перспектива: миллиарды умных подключенных «вещей», формирующих своего рода универсальную глобальную нейронную сеть, которая будет включать все аспекты нашей жизни. IoT состоит из умных машин, взаимодействующих и общающихся с другими машинами, объектами, окружающей средой и инфраструктурой. В такой системе будут генерироваться огромные объемы данных, обработка которых может использоваться для управления и контроля за вещами, чтобы сделать нашу жизнь удобнее и безопаснее, а также снизить наше воздействие на окружающую среду.

Почему же так много определений, и все они разные?

Во­первых, технологии развиваются так быстро, что постоянно появляется новое наполнение термина, которое не всегда стыкуется с предыдущими толкованиями. Это красноречиво иллюстрирует рис. 4, где эволюция IoT отождествляется с несколькими стадиями и, по сути, с разными технологиями.

Рис. 4. Эволюция технологии «Интернет вещей»

Во­вторых, очень часто новую технологию определяют как совокупность факторов, отличающую ее от предшествующей, а потом эту предшествующую технологию включают в новое понятие. Движимые маркетинговыми устремлениями вендоры хотят старые технологии называть новыми именами. Аналитики тоже, следуя моде и стремясь продемонстрировать значимость описываемого рынка, используют один так называемый зонтичный термин, совмещая в нем несколько понятий.

Аналогичная ситуация наблюдается и в отношении других новых терминов. Возьмем, к примеру, термин SaaS, возникший для обозначения следующей ступени развития технологии ASP. Сегодня в ряде публикаций ASP-проекты стали включать в рынок SaaS, что, строго говоря, некорректно.

Примерно то же происходит и с термином IoT: с одной стороны, это следующая ступень развития M2M-технологий, с другой стороны, во многих источниках говорится, что рынок M2M-решений является подмножеством IoT, а в некоторых источниках используют аббревиатуру IoT/M2M.

Еще одна причина неоднозначности термина заключается в том, что на базе IoT решаются разные классы задач. В частности, Кайван Карими говорит о наличии, как минимум, двух классов задач, которые объединяет термин IoT. Первая задача - это удаленный мониторинг и управление набором взаимосвязанных сетевых устройств, каждое из которых может взаимодействовать с объектами инфраструктуры и физической среды. Например, датчик температуры и влажности контролирует сеть приборов, которые управляют системой климата умного здания (окон, жалюзи, кондиционеров и пр.). Более экзотический пример - датчик на руке владельца умного дома подает сигнал о психофизическом состоянии хозяина всем умным устройствам, находящимся в сети; каждое из них реагирует определенным образом, в результате чего меняется освещенность, фоновая музыка, кондиционирование. Здесь основная функция не аналитическая, а именно управляющая. Вторая задача - это использование данных, получаемых с конечных узлов (смарт­устройств с возможностью подключения и зондирования) для интеллектуального анализа с целью выявления тенденций и взаимосвязей, которые могут генерировать полезную информацию для обеспечения дополнительной выгоды в бизнесе. Например, отслеживание поведения посетителей в магазине с помощью бирок на товарах: сколько времени и возле каких товаров останавливаются посетители, какие товары берут в руки и т.п. На основании данной информации можно изменить расположение товаров в зале и увеличить объем продаж. Еще один пример - из сферы автострахования. Размещение в автомобилях устройств, снабженных акселерометром, позволит страховой компании собирать данные о степени аккуратности вождения клиента. Фиксироваться могут не только столкновения, но и, например, резкий наезд на предмет или бордюр. Чем аккуратнее водит клиент, тем дешевле страховка, а лихач платит больше. В последних примерах не стоит задача управления - здесь выполняется сбор данных и их обработка методами современной аналитики. Статистическая информация обо всех клиентах позволит компании правильно прогнозировать свои риски.

В работе «What the Internet of Things (IoT) Needs to Become a Reality» (“Что требуется IoT, чтобы стать реальностью») Кайван Карими пытается представить обобщенную схему IoT-решения (рис. 5). Согласно данной схеме, это стек, в который входит шесть слоев: устройства зондирования и/или смарт­устройства, узлы подключения, слой встроенных узлов обработки, слой удаленной облачной обработки данных; шестой слой может выполнять две функции. Первая, обозначенная как «приложение/действие» означает, что решение используется для того, чтобы осуществлять удаленное управление устройством либо автоматически управлять процессом на основе зондирующих устройств. Второй вариант - «аналитика/большие данные» подразумевает, что задача нацелена на использование данных, получаемых с зондирующих устройств для анализа и выявления тенденций и взаимосвязей, которые могут генерировать полезную бизнес-информацию.

Рис. 5. Типовая архитектура IoT-решения (источник: Freescale Semiconductor)

Сходную типовую архитектуру IoT-решения дает компания Microsoft (рис. 6).

Рис. 6. Типовая архитектура IoT-приложений (источник: Microsoft)

В своих работах Кайван Карими представляет не только изображение типовой архитектуры, но также графическую интерпретацию всей экосистемы IoT (рис. 7).

Рис. 7. Экосистема «Интернета вещей»

Рис. 8. IoT как «Сеть сетей» (источник: CBSG)

Рынок IoT и его участники

Что же такое IoT-рынок? Как его подсчитать? Кого причислить к его участникам? Если подсчитать все проекты, которые подпадают под схему, представленную на рис. 5, то рынок окажется весьма небольшим. Если же подсчитать оборот компаний, занятых созданием элементов, которые потенциально могут быть реализованы в данной схеме, то получится совсем другая цифра. Исходя из публикаций видно, что аналитики выбирают второй подход: они представляют рынок как совокупность бизнеса всех игроков, которые создают подключаемые смарт­устройства и сенсоры, готовят платформы для построения IoT-решений, разрабатывают технологии соединения «Интернета вещей» в сеть и предоставляют вспомогательные сервисы. То есть аналитики рассматривают не столько рынок IoT-решений (в узком понимании), сколько бизнес всех участников экосистемы провайдеров сервисов и технологий вокруг построения IoT-решений.

Похоже, именно по этому пути идут компании, которые оперируют термином «рынок IoT». В частности, компания IDC выделяет целых пять сегментов IoT-рынка и соответствующих игроков.

К первому («Устройства /Интеллектуальные системы») относятся производители смарт­устройств и сенсоров, обладающих возможностью подключения к проводным/беспроводным сетям, способным захватывать и передавать данные, исполнять собственные или облачные приложения, взаимодействовать с интеллектуальной системой в автоматическом режиме.

Второй сегмент носит название «Средства обеспечения подключения и поддержки IoT-сервиса». Это потенциальный бизнес для телеком­провайдеров, которые могут предоставлять сервис обеспечения связи на базе разных технологий, включая проводную, сотовую связь (2G, 3G, 4G), Wi-Fi и дополнительные сервисы, например управление билингом.

В третьем сегменте под названием «Платформы» IDC выделяет платформы обеспечения работы устройств, сетей и приложений.

Платформы обеспечения работы устройств представляют ПО, ответственное за обеспечение потока данных на конечные устройства и с них, включая функции активации, управления и диагностики.

Платформы обеспечения сетевого взаимодействия предоставляют клиентам программное обеспечение для подключения IoT/M2M-устройств с целью осуществления сбора и анализа информации. Платформа дает возможность управлять подпиской, контролировать тарифные планы и управлять ими. Этот слой предоставляет клиентам соглашение об уровне обслуживания, нацелен на улучшение качества и обеспечение безопасности решений.

Платформы обеспечения работы приложений представляют собой горизонтально ориентированные решения по интеграции корпоративных приложений и конкретных IoT-приложений.

Четвертый сегмент, «Аналитика» - представляет решения, которые позволяют увеличить эффективность бизнеса на основе принятия более эффективных решений на базе собранных с помощью IoT-технологии данных, в том числе с применением технологии Big Datа. К данному сектору также относятся появляющиеся аналитические решения, которые позволят обеспечивать интеграцию данных, полученных на базе мониторинга IoT и социальных сетей.

И наконец, пятый сегмент - приложения для поддержки вертикальных решений, которые реализуют специфические для различных индустрий функции.

Автор карты «Экосистема “Интернета вещей”» Мэт Трак (Matt Turck), управляющий директор FirstMark Capital, представляет не только сегментацию рынка, но и приводит конкретные имена наиболее значимых игроков в каждом из сегментов (рис. 9). Эта работа переводит разговор об участниках рынка IoT в более практическую плоскость.

Рис. 9. «Экосистема “Интернета вещей”» (источник: Matt Turck, Sutian Dong & First Mark Capital)

Мэт Трак также дает ответ на вопрос, почему рынок IoT привлекает внимание именно в последние годы. Он отмечает, что рост интереса к рынку и само его развитие происходит благодаря слиянию нескольких ключевых факторов. Во­первых, стало проще и дешевле производить смарт­устройства, появляются компании-дистрибьюторы и компании, заинтересованные в финансировании подобного рода проектов. Во­вторых, на протяжении последних нескольких лет резко продвинулись в своем развитии технологии беспроводной связи. Сегодня каждый пользователь имеет мобильный телефон или планшет, который может использоваться как универсальный пульт дистанционного управления для интернет-вещей. Повсеместное подключение становится реальностью (Wi-Fi, Bluetooth, 4G). В-третьих, «Интернет вещей» в состоянии применять всю инфраструктуру, которая возникла в смежных областях. Облачные вычисления позволяют создавать упрощенные и дешевые конечные устройства, поскольку интеллектуальную составляющую можно перенести с конечных устройств в облако. Инструменты Big Data, в том числе программы с открытым исходным кодом, такие как Hadoop, позволяют анализировать огромные массивы данных, захватываемые IoT-устройствами.

В экосистеме (см. рис. 9) автор выделяет практически те же элементы рынка, что и компания IDC, при этом они по-другому разбиты на сегменты. Мэт Трак выделяет три крупные части: горизонтальные платформы, вертикальные приложения и «строительные блоки». Автор экосистемы подчеркивает, что, несмотря на активный бизнес в области создания вертикальных решений, амбициозные игроки рынка нацелены на то, чтобы стать горизонтальной платформой, на базе которой будут строиться все вертикальные решения из области Internet of Things. Так, несколько игроков из сектора домашней автоматизации (SmartThings, Ninja Blocks и т.д.) выступают разработчиками горизонтальных программных платформ. Крупные корпорации, например GE и IBM, активно ведут разработку своих платформ. Телеком-компании, такие как AT&T и Verizon, также имеют хорошие перспективы и принимают участие в этой гонке. Открытым остается вопрос, насколько легко горизонтальная платформа, построенная под один класс вертикальных решений, может быть приспособлена под вертикальные решения другого класса. Пока неочевидно также, какие платформы - закрытые или открытые, имеют перспективы занять лидирующие позиции в этой области.

Вертикальных решений на рис. 9 отмечено достаточно много, они сгруппированы в более мелкие блоки. В рамках обзорной статьи прокомментировать все из них не представляется возможным, поэтому остановимся лишь на некоторых.

Например, в разделе «носимые компьютеры» отмечено новомодное устройство Google Glass, о котором впервые было объявлено в феврале 2012 года. Устройство на базе Android (рис. 10) снабжено прозрачным дисплеем, расположенным над правым глазом, способно записывать видео высокого качества, выполнять функции дополненной реальности, мобильной связи, доступа в Интернет и вести видеодневник.

Рис. 10. Google Glass

В последнее время приобретают популярность носимые устройства для фитнеса, такие как Fitbit, Nike + Fuelband, Jawbone, с помощью которых пользователи могут мониторить степень своей физической активности и подсчитывать потраченные калории (на рис. 9 они вынесены в отдельную категорию).

Типичный представитель данной группы - устройство UP Jawbone (рис. 11), представляет собой спортивный браслет, который может работать с iPhone и Android-платформой. Устройство позволяет отслеживать сон, рацион питания, количество пройденных шагов и сожженные калории. Браслет имеет вибрационный двигатель, который может либо служить будильником, либо напоминать, что пользователь слишком долго находится в сидячем положении. Браслет способен отслеживать фазы сна и будить владельца именно в фазе легкого сна, когда просыпаться гораздо легче.

Рис. 11. UP Jawbone позволяет вести
мониторинг физической нагрузки

Устройство включает социальное приложение, которое помогает добавить дополнительный уровень мотивации к занятиям спортом. Пользователи могут просматривать данные своих друзей, делиться спортивными результатами, соревноваться.

Подобные носимые устройства могут применяться в медицинских целях, например осуществлять удаленный мониторинг за состоянием пациента (кровяное давление, частота сердечных сокращений и т.п.), чтобы уведомить близких или медицинский персонал в случае повышения показателей. IoT-технологии вообще находят широкое применение в медицине - от простейших систем напоминания приема медикаментов до внедряемых в организм зондов с целью мониторинга работы органов для постановки сложного диагноза.

Наиболее активно IoT используется в технологиях умного дома: удаленное управление через Интернет домашними устройствами, удаленный мониторинг и управление системами отопления, освещения, медиаустройствами, электронными системами безопасности, оповещения о вторжениях, противопожарными системами и пр.

Из игроков, отмеченных в разделе домашней автоматизации на рис. 9, интересно отметить компанию Nest Labs, которая разрабатывает и производит программируемые термостаты и датчики дыма с поддержкой Wi-Fi и функциями самообучения. Стартап, образованный в 2010 году двумя выходцами из Apple, уже через пару лет вырос в компанию с числом сотрудников более 130 человек.

Свой первый продукт - термостат (рис. 12) - компания представила в 2011 году. В октябре 2013-го Nest Labs объявила о выпуске устройства контроля дыма и угарного газа. Термостат Nest обеспечивает взаимодействие с устройством не только через тач­скрин­интерфейс, но и дистанционно, поскольку термостат подключен к Интернету. Компания может распространять обновления для исправления ошибок, повышения производительности, а также добавлять дополнительные функции. Для обновления термостат должен быть подключен к Wi-Fi и аккумулятору, поддерживающему напряжение 3,7 В для обеспечения загрузки и установки обновлений.

Рис. 12. Термостат Nest Labs

Широкое применение технология IoT находит в энергетике (смарт­счетчики, системы выявления потерь или краж в электрической сети). В нефтегазовом секторе, например, используется удаленный мониторинг трубопроводов.

Множество решений разрабатывается для более безопасной эксплуатации автомобиля. Технология Connected cars (Подключенные автомобили) позволяет использовать системы экстренного вызова скорой помощи со встроенной SIM-карты. В автостраховании начинает практиковаться расчет страховки, базирующийся на удаленном мониторинге вождения пользователей. В транспорте широко используются системы отслеживания маршрута автомобиля, мониторинг грузоперевозок, контроль отгрузки и складирования. Практикуется автоматизированная система контроля воздушного движения. Муниципальные органы власти могут использовать IoT-решения для запуска, эксплуатации и контроля системы общественного транспорта с целью оптимизации расхода топлива, контроля и управления движением поездов. В ритейле развивается автоматизация логистических задач, удаленный мониторинг и учет товаров, снабженных RFID-метками, инвентаризация в реальном времени, беспроводные платежные решения. В системах общественной безопасности - мониторинг и контроль состояния промышленных объектов, мостов, туннелей и т.п. В промышленном производстве - контроль процесса производства, удаленная диагностика, управление роботизированными комплексами. В сельском хозяйстве - удаленное управление системами ирригации, мониторинг состояния и поведения животных, мониторинг уровня воды водоемах и т.д.

Итак, что же такое «Интернет вещей» - реальность или перспектива? С учетом проведенного анализа можно утверждать, что это перспектива, которая постепенно становится реальностью.

Добрый день, уважаемые хабравчане! Сегодня мы бы хотели остановиться на описании различных сетевых технологий, разрабатывающихся для Интернета вещей.

Интернет вещей (IoT, Internet of Things) становится следующим революционным скачком развития, сравнимым с изобретением парового двигателя или индустриализацией электричества. Сегодня цифровая трансформация переворачивает самые различные отрасли экономики и изменяет наше привычное окружение. При этом, как часто бывает в таких случаях, конечный эффект этих преобразований трудно спрогнозировать, находясь в начале пути.

Начавшийся процесс, очевидно, не может быть равномерным и на сегодняшний день одни отрасли оказываются в большей степени готовы к изменениям, чем другие. К первым можно отнести потребительскую электронику, транспорт, логистику, финансовый сектор, ко вторым – например, сельское хозяйство. Хотя и здесь есть успешные пилотные проекты, обещающие интересные результаты.

Проект TracoVino, одна из первых попыток использовать IoT в знаменитой долине Мозеля, старейшем винодельческом регионе современной Германии. В основе решения лежит облачная платформа, автоматизирующая все процессы в винограднике, от выращивания сырья до бутилирования. Данные, необходимые для принятия решений, поступают в систему от нескольких типов датчиков. Помимо определения температуры, влажности почвы и мониторинга окружающей среды, они могут определять количество солнечной радиации, кислотность почвы и содержание в ней биогенных элементов. Что это дает? TracoVino не только позволяет виноделам получить общее представление о состоянии их виноградника, но и проанализировать его определенные области, чтобы выявить проблемы, получить заблаговременную информацию о возможном заражении и даже получить прогнозы о качестве и количестве вина, что позволяет виноделам заключать форвардные контракты.

Что еще можно подключить к сетям? К наиболее развитым сценариям использования IoT можно отнести «умные города». Согласно исследованиям Beecham Research, Pike Research, iSupply Telematics и министерства транспорта США на сегодняшний день в рамках реализации этих проектов по всему миру насчитывается более миллиарда устройств, отвечающих за те или иные функции в системах водоснабжения, управления городским транспортом, общественного здравоохранения и безопасности. Это умные парковки, оптимизирующие использование мест для стоянки, интеллектуальная система водоснабжения, следящая за качеством потребляемой жителями города воды, умные автобусные остановки, позволяющие получить точную информацию о времени ожидания нужного транспорта и многое другое.

В промышленности уже функционируют сотни миллионов устройств, готовых к подключению. Среди них системы умного технического обслуживания и ремонта, логистического учета и безопасности, а также умные насосы, компрессоры и клапаны. Большое количество устройств задействовано в сферах энергетики и ЖКХ: многочисленные счетчики, элементы автоматики распределительных сетей, потребительское оборудование, электрозарядная инфраструктура и инфраструктура для возобновляемых и распределяемых источников энергии. В области здравоохранения к интернету вещей подключаются и будут подключены средства диагностики, мобильные лаборатории, различные имплантаты, устройства для телемедицины.

Ожидается, что в ближайшие годы количество машинных подключений будет увеличиваться на 25% в год, а всего к 2021 году на планете будет 28 миллиардов подключенных устройств. Из них всего 13 миллиардов придется на привычные пользовательские гаджеты: смартфоны, планшеты, лэптопы и ПК – в то время как 15 миллиардов будут составлять пользовательские и промышленные устройства: разного рода датчики, терминалы для продаж, автомобили, табло, индикаторы и т.д.

Несмотря на, казалось бы, поражающие воображение цифры из ближайшего будущего, и они не являются окончательными. IoT будет внедряться повсеместно, и чем дальше, тем больше устройств, простых и сложных, придется подключить. По мере развития технологий, а особенно под влиянием запуска сетей 5G после 2020 года, рост числа подключенных устройств пойдет стремительными темпами и очень скоро приблизится к 50 млрд.

Массовый характер подключений и различные сценарии использования диктуют требования к сетевым технологиям IoT в самом широком диапазоне. Скорости передачи данных, задержки, надежность (гарантированность) передачи определяются особенностями конкретного применения. И тем не менее есть ряд общих целевых показателей, которые требуют от нас отдельно рассматривать сетевые технологии для IoT и их отличия от традиционных сетей мобильной связи.

В первую очередь, стоимость реализации сетевой технологии в конечном устройстве должна быть в разы меньше существующих сегодня модулей GSM/WCDMA/LTE, используемых при производстве смартфонов и модемов, даже в самом доступном классе. Одна из причин, сдерживающих массовое внедрение подключенных устройств – высокая стоимость чипсета, реализующего полный стек сетевых технологий, включая передачу голоса и многие другие функции, не являющиеся необходимыми в большинстве IoT сценариев.

Связанное с этим, но формулируемое отдельным, требование – низкое энергопотребление и продолжительное время автономной работы. Многие сценарии и области применения IoT предусматривают автономное питание подключенных устройств от встроенных элементов питания. Упрощение сетевых модулей и энергоэффективный дизайн позволяют добиться времени автономной работы до 10 лет при емкости элемента питания 5 Вт*ч. Таких показателей, в частности, удается достичь благодаря снижению объема передаваемых данных и использованию продолжительных периодов «молчания», в течение которых устройство не получает и не передает информацию и практически не потребляет электроэнергию. Впрочем, реализация конкретных механизмов отличается от технологии к технологии.

Покрытие сети, еще одна характеристика, нуждающаяся в пересмотре. Сегодня покрытие мобильной сети обеспечивает достаточно устойчивую передачу данных в населенных пунктах, в том числе внутри помещений. Однако подключенные устройства могут находиться и там, где людей большую часть времени нет: отдаленные районы, протяженные железнодорожные перегоны, поверхность обширных водоемов, подвалы, изолированные бетонные и металлические короба, лифтовые шахты, контейнеры и т.п. Целевым ориентиром решения этой задачи, по мнению большинства участников IoT рынка, является улучшение бюджета линии на 20 dB относительно традиционных сетей GSM, являющихся лидером по покрытию среди мобильных технологий сегодня.

Разные сценарии использования Интернета вещей в разных индустриях предполагают совершенно разные требования к связи. И речь не только о возможности быстрого масштабирования сети в плане числа требующих подключения устройств. Если в описанном нами примере «умного виноградника» были задействовано множество достаточно простых датчиков, то на промышленных предприятиях подключены будут весьма сложные роботы, выполняющие действия, а не просто фиксирующие определенные параметры окружающей среды. Можно вспомнить и про область здравоохранения, в частности про оборудование для телемедицины. Использование этих комплексов, предназначенных для проведения дистанционной диагностики, мониторинга сложных медицинских манипуляций и удаленного обучения с использованием видеосвязи в режиме реального времени несомненно будет предъявлять совершенно иные требования в плане задержек сигнала, передачи данных, надежности и безопасности.

Технологии IoT должны быть достаточно гибкими, чтобы обеспечивать различный набор сетевых характеристик в зависимости от сценария использования, приоритизацию десятков и сотен различных видов сетевого трафика и оптимальное перераспределение ресурсов сети для сохранения экономической эффективности. Миллионы подключенных устройств, десятки сценариев использования, гибкое управление и контроль – все это должно быть реализовано в рамках единой сети.

Решению поставленных задач посвящены многочисленные разработки последних лет в сфере беспроводной передачи данных, как связанные со стремлением адаптировать имеющиеся сетевые архитектуры и протоколы, так и с созданием новых системных решений с нуля. С одной стороны мы видим так называемые «капиллярные решения», довольно успешно решающие задачи IoT коммуникаций в рамках одного помещения или ограниченной территории. К таким решениям можно отнести популярные сегодня Wi-Fi, Bluetooth, Z-Wave, Zigbee и их многочисленные аналоги.

С другой – современные мобильные технологии, которые, очевидно, находятся вне конкуренции с точки зрения обеспечения покрытия и масштабируемости хорошо управляемой инфраструктуры. Согласно исследованию Ericsson Mobility Report, покрытие GSM составляет 90% населенной территории планеты, сети WCDMA и LTE 65% и 40% соответственно при активно продолжающемся строительстве сетей. Шаги, предпринятые в рамках развития стандартов мобильной связи, в частности спецификации 3GPP Release 13 направлены как раз на достижение целевых для IoT показателей при сохранении преимуществ использования глобальной экосистемы. Эволюция этих технологий станет основой будущих модификаций стандартов мобильной связи, в том числе стандартов сетей пятого поколения (5G).

Альтернативные технологии низкой мощности для нелицензируемого частотного спектра, в общем случае, направлены на более узкое применение. Необходимость создания новой инфраструктуры и закрытость технологий существенно сдерживают распространение подобных систем.

Рассмотрим, какие расширения стандартов мобильной связи определены для включения в последнюю на сегодняшний день редакцию рекомендаций 3GPP Release 13.

EC-GSM

Приведем основные характеристики:

Фактически, используется стандартная несущая GSM/GPRS, с изменениями, позволяющими увеличить бюджет линии, увеличить количество устройств и снизить стоимость реализации технологии в конечном устройстве.

Основные привнесенные изменения:

1) Extended DRX (eDRX, Extended Discontinuous Reception) для GSM и Power Saving Mode (PSM ) – снижение периодичности обязательных сигнальных сообщений, оптимизация интервалов приема и получения информации, поддержка длительных, до 52 мин., периодов «молчания», в течение которых устройство остается подключенным к сети, не передавая и не получая информацию.

2) Extended coverage – адаптация канального уровня сети, использующая, в том числе, многократное повторение передаваемой информации для улучшения покрытия на 20 dB по сравнению с традиционными системами.

3) Другие улучшения : упрощение сетевой сигнализации (отказ от поддержки той части сигнализации, которая обеспечивает совместную работу с WCDMA/LTE сетями); расширение механизмов аутентификации и безопасности соединения и др.

Ключевое преимущество EC-GSM в готовности сетевой инфраструктуры (в большинстве случаев требуется только обновление программного обеспечения на узлах сети), а также в распространенности сетей стандарта GSM и их охвата.

eMTC

EMTC призван обеспечить снижение стоимости конечного IoT устройства за счет отказа от функциональности LTE, которая востребована и широко применяется в сетях мобильного широкополосного доступа (МШПД), но становится избыточной при массовом подключении IoT устройств. Это продолжение работы, начатой 3GPP в предыдущем релизе спецификаций (Release 12), определившей LTE Cat.0 для IoT. В eMTC также добавлены механизмы Extended DRX и PSM для LTE, которые решают задачу снижения энергопотребления аналогично тому, как это было показано выше для EC-GSM.

Как и в случае с EC-GSM, eMTC имеет высокую степень готовности сетевой инфраструктуры и может быть развернута на существующих сетях LTE путем обновления ПО. Более того, сети МШПД и IoT могут сосуществовать и динамически перераспределять используемые ресурсы (частотный спектр, вычислительную мощность базовой станции и др.) в зависимости от типа и количества подключенных устройств и создаваемого ими трафика.

NB-IoT

Ожидается, что существенная переработка протоколов канального уровня позволит снизить стоимость устройства NB-IoT по сравнению с LTE Cat.M1 на 90%. О поддержке технологии NB-IoT в своих продуктах уже заявили многие производители сетевого оборудования и абонентских модулей: Ericsson, Huawei, Nokia, Intel, Qualcomm, а также ведущие операторы связи, среди которых, например, Vodafone, Deutsche Telekom и China Unicom.

Таким образом, с принятием финальной версии спецификаций EC-GSM, eMTC и NB-IoT, которое запланировано на июнь текущего года, участники рынка получат в свое распоряжение три эффективных инструмента развития сетей IoT. Каждый из них имеет свои особенности и преимущества в зависимости от конкретного сценария использования и характеристик той мобильной сети, на базе которой они будут развертываться. Однако в любом случае преимущества глобальной экосистемы, наличие и готовность развернутой сетевой и IT инфраструктуры, использование защищённого (лицензируемого) частотного спектра будут работать на снижение стоимости внедрения и эксплуатации. А значит, в ближайшем будущем нас ожидает взрывной рост проектов с их использованием.

На этом закончим свой рассказ и благодарим хабравчан за внимание! В следующем посте мы сфокусируемся на технологических аспектах технологии NB-IoT.

На просьбу назвать предметы первой необходимости многие бы ответили: еда, крыша над головой, одежда… С одной оговоркой: так было в прошлом веке.

С тех пор у вида Хомо Сапиенс накопились потребности. Нам нужно, чтобы освещение контролировали автоматические датчики, а не просто выключатели, чтобы умные системы следили за состоянием здоровья и автомобильным движением. Список можно продолжить… В общем, мы умеем делать жизнь проще и лучше.

Попробуем выяснить, как весь это интернет вещей работает, прежде чем переходить к тестированию.

Интернет вещей (или IoT) - это сеть, которая соединяет в себе множество объектов: транспортные средства, домашняя автоматика, медоборудование, микрочипы и т.д. Все эти составные элементы накапливают и передают данные. Посредством такой технологии пользователь управляет устройствами удаленно.

Примеры IoT-устройств

#1) Носимые технологии:

Фитнес-браслеты Fitbit и умные часы Apple Watch легко синхронизируются с другими мобильными устройствами.

Так проще собирать сведения о здоровье: частота пульса, активность организма во время сна и пр.

#2) Инфраструктура и разработка

Приложение CitySense в онлайн режиме анализирует данные об освещении, и автоматически включает или выключает фонари. Существуют приложения, которые управляют светофорами или сообщают о доступности парковок.

#3) Здоровье

Некоторые системы, которые отслеживают состояние здоровья, используются в больницах. В основе их работы ориентировочные данные. Эти сервисы контролируют дозировку лекарств в различное время дня. Например, приложение UroSense отслеживает уровень жидкости в организме и, если нужно, повысит этот уровень. А врачи узнают сведения о пациентах по беспроводной связи.

Технологии, которые присутствуют в IoT

• RFID (радиочастотная идентификация), EPC (электронный код продукта)
• NFC («коммуникация ближнего поля») обеспечивает двусторонние взаимодействия между устройствами. Эта технология присутствует в смартфонах и служит для бесконтактных транзакций.
• Bluetooth. Широко применяется в ситуациях, когда достаточно связи ближнего радиуса действия. Чаще всего присутствует в носимых устройствах.
• Z-Wave. Низкочастотные RF-технологии. Чаще применяются для домашней автоматики, управления освещением и пр.
• WiFi. Самая популярная сеть для IoT (передача файлов, данных и сообщений).

Тестирование IoT

Рассмотрим пример : медицинская система, которая следит за состоянием здоровья, частотой сердцебиений, содержанием жидкости и отправляет отчеты медработникам. Данные отображаются в системе; доступны архивы. А врачи уже решают, принимать ли пациенту медикаменты, удаленно.

Существует несколько подходов для тестирования архитектуры IoT.

#1) Юзабилити:

• Необходимо обеспечить каждого из устройств.
• Медицинское устройство, которое отслеживает состояние здоровья, должно быть портативным.
• Необходимо достаточно продуманное оборудование, которое бы отправляло не только уведомления, но и сообщения об ошибках, предупреждения и пр.
• В системе должна присутствовать опция, которая фиксирует события, чтобы конечному пользователю было понятнее. Если такая возможность не предусмотрена, сведения о событиях сохраняются в базе данных.
• Тщательно проверяется возможность обработки данных и обмена задачами между устройствами.

#2) Безопасность IoT:

• Данные лежат в основе работы всех подключенных устройств. Потому не исключен несанкционированный доступ во время передачи данных. С точки зрения необходимо проверять, насколько защищены/зашифрованы данные.
• Если есть UI, нужно проверить, защищен ли он паролем.

#3) Сетевые возможности:

• Крайне важна возможность подключения к сети и функциональность IoT. Ведь речь идет о системе, которая используется в целях здравоохранения.
• Проверяются два главных аспекта:
• Наличие сети , возможности передачи данных (передаются ли задания с одного устройства на другое без каких-либо заминок).
• Сценарий, когда подключение отсутствует . Независимо от уровня надежности системы, существует вероятность, что статус системы будет «офлайн». Если сеть недоступна, сотрудникам больницы или другой организации необходимо об этом знать (уведомления). Таким образом, они смогут следить за состоянием пациента сами, а не ждать, когда система заработает. С другой стороны, в таких системах обычно присутствует механизм, который сохраняет данные, если система в офлайне. То есть потеря данных исключается.

#4) Эффективность:

• Необходимо учитывать, насколько решение для сферы здравоохранения применимо в конкретных условиях.
• В тестировании участвуют от 2 до 10 пациентов, данные передаются на 10-20 устройств.
• Если вся больница подключается к сети, это уже 180-200 пациентов. То есть фактических данных будет больше, чем тестовых.
• Ко всему прочему, необходимо протестовать утилиту для мониторинга системы: текущая нагрузка, потребление электроэнергии, температура и пр.

#5) Тестирование совместимости:

• Этот пункт всегда присутствует в плане по тестированию IoT-системы.
• Совместимость разных версий операционных систем, типов браузеров и их соответствующих версий, устройств разного поколения, режимов связи [например, Bluetooth 2.0, 3.0] крайне важна для IoT.

#6) Пилотное тестирование:

• Пилотное тестирование - обязательный пункт тест-плана.
• Только тесты в лаборатории позволят сделать вывод о том, что система функциональна.
• При пилотном тестировании число пользователей ограничено. Они совершают манипуляции с приложением и высказывают свое мнение.
• Эти комментарии оказываются весьма кстати, позволяют сделать надежное приложение.

#7) Проверка на соответствие:

• Система, которая отслеживает состояние здоровья, проходит множество проверок на соответствие.
• Бывает и так, что программный продукт проходит все этапы тестирования, но проваливает финальный тест на соответствие [тестирование проводит регулирующий орган].
• Целесообразнее проверить на предмет соответствия нормам и стандартам перед стартом цикла разработки.

#8) Тестирование обновлений:

• IoT - это комбинация множества протоколов, устройств, операционных систем, встроенного ПО, аппаратного обеспечения, сетевых уровней и т.д.
• Когда происходит обновление - будь то система или что-то еще из перечисленного выше - требуется тщательное регрессионное тестирование. В общую стратегию вносятся поправки, чтобы избежать сложностей, связанных с обновлением.

Сложности тестирования IoT

#1) Хард/софт

IoT - это архитектура, в которой тесно переплетаются компоненты ПО и аппаратной части. Важен не только софт, но и хард: сенсоры, шлюзы и пр.

Одного лишь будет недостаточно, чтобы сертифицировать систему. Все составные компоненты взаимозависимы. IoT намного сложнее, чем более простые системы [только софт или только хард].

#2) Модель взаимодействия устройств

Составные части сети должны взаимодействовать в режиме реального времени или близкого к реальному. Все это становится единым целым - отсюда дополнительные сложности, связанные с IoT (безопасность, обратная совместимость и обновления).

#3) Тестирование данных, поступающих в реальном времени

Получить эти данные крайне сложно. Дело усложняется тем, что система, как в описанном случае, может относиться к сфере здравоохранения.

#4) UI

Сеть IoT обычно состоит из разных устройств, которые управляются разными платформами . Тестирование возможно только на некоторых устройствах, поскольку тестировать на всех возможных устройствах практически невозможно.

#5) Доступность сети

Сетевое соединение играет важную роль в IoT. Скорость передачи данных увеличивается. IoT-архитектура должна тестироваться в различных условиях соединения, на разной скорости. Эмуляторы виртуальных сетей в большинстве случаев используются, чтобы разнообразить сетевую нагрузку, возможности соединения, стабильность и пр элементы . Но фактические данные - это всегда новые сценарии, и команда тестировщиков не знает, где в будущем возникнут сложности.

Инструменты тестирования IoT

Существует множество инструментов, которые применяются в тестировании IoT-систем.

IoT - это развивающийся рынок и множество возможностей. В обозримом будущем интернет вещей станет одним из главных направлений работы для команд тестировщиков. Сетевые устройства, приложения умных гаджетов, коммуникационные модули - все это играет важную роль в изучении и оценке различных сервисов.

Итог

Подход к тестированию IoT может отличаться в зависимости от конкретной системы/архитектуры.

Тестировать IoT сложно, но вместе с тем это интересная работа, благо тестировщикам есть где размахнуться - ведь устройств, протоколов и операционных систем множество.

P.S. Стоит опробовать формат TAAS («тесты с точки зрения пользователя»), а не просто выполнять формальные требования.

IoT - Internet of Things

Internet of Things (IoT) - modern telecommunication technologies
(Интернет вещей - современные телекоммуникационные технологии)

Что такое Интернет вещей? What is the Internet of Things, IoT? Internet of Things (IoT) - это новая парадигма Internet. Что подразумевается под термином "Things" в Internet of Things. Под термином "вещь" в Internet of Things (IoT) подразумеваются интеллектуальные, т.е. "умные" предметы или объекты (Smart Objects или SmartThings, или Smart Devices).

Чем Internet of Things (IoT) отличается от традиционного Интернет? Internet of Things (IoT) - это традиционная или существующая сеть Интернет, расширенная подключенными к ней вычислительными сетями физических устройств или вещей, которые могут самостоятельно организовывать различные шаблоны связи или модели подключения (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 Internet of Things (IoT). Но, к сожалению, они противоречивы, нет четкого и однозначного определения понятия Internet of Things (IoT).

Чтобы разобраться в сути Internet of Things (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/HTTPS 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 - пользователь (User)" и "вещь - веб объект (Web Object)".

Internet of Things (IoT) целесообразно рассматривать на технологическом, экономическом и социальном уровнях.

На технологическом уровне Internet of Things – 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.

Internet of Things (IoT) приведет к изменениям экономических и социальных моделей развития общества. Существуют различные классификации Internet of Things (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 Internet of Things является начальным этапом развития «Всеохватывающего Интернет»

Развитие Интернета вещей или Internet of Things (IoT) зависит от:

• технологий беспроводных сетей с низким энергопотреблением (LPWAN, WLAN, WPAN);
• темпов внедрения сотовых сетей для Internet of Things (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 Internet of Things (IoT) платформ;
• развития технологий M2M (machine-to-machine);
• применения современных технологий Software-Defined Networks, снижающих нагрузку на каналы связи.

Архитектура глобальной сети Internet of Things (IoT)

В качестве фрагмента архитектуры Internet of Things (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 Internet of Things 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 Internet of Things (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) Интернета вещей IoT

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.

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 Internet of Things уже развернута общенациональная сеть LoRa. Сети SigFox для IoT развернуты в Испании и Франции. В России создается национальная сеть "Стриж" для Internet of Things (IoT) 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 Internet of Things (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 Internet of Things (IoT).

Беспроводные персональные сети (WPAN) передачи данных малого радиуса с низким энергопотреблением - компоненты Internet of Things (IoT)

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, являются составляющими (компоненнтами) сети Internet of Things (IoT).

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).

Рис. 3. 6LoWPAN Protocol Stack для IoT

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 Internet of Things (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 Internet of Things (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 Internet of Things (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 Internet of Things (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 Internet of Things (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 Internet of Things (IoT)

Для передачи данных в Internet of Things (IoT) применяется множество протоколов прикладного уровня, к наиболее распространенным из которых относятся: DDS, MQTT, XMPP, AMQP, JMS, CoAP, REST/HTTP. DDS – это служба распространения данных для систем реального времени является стандартом OMG для промежуточного программного обеспечения. DDS – это базовая технология для реализации IoT, основанная на коммуникационной модели обмена сообщениями DCPS без промежуточного брокера (сервера).

MQTT, XMPP, AMQP, JMS – это протоколы обмена сообщениями, которые основаны на брокере по схеме: publish/subscribe. Брокер (сервер) можно развернуть на облачной платформе или на локальном сервере. Программы-клиенты необходимо установить на приложениях смарт-устройств.

Протокол CoAP (Constrained Application Protocol) - ограниченный протокол передачи данных IoT, аналогичный HTTP, но адаптированный для работы с "умными" устройствами низкой производительности. CoAP основан на стиле архитектуры REST. Доступ к серверам осуществляется по URL-адресу приложения смарт-устройств. Программы-клиенты для доступа к ресурсам использует такие методы, как GET, PUT, POST и DELETE.

REST/HTTP – состоит из двух технологий REST и HTTP. REST - это стиль архитектуры программного обеспечения для распределенных систем. REST описывает принципы взаимодействия приложений смарт-устройств с программными интерфейсами REST API (Web service). Через REST API приложения общаются между собой с помощью четырех HTTP методов: GET, POST, PUT, DELETE. HTTP - протокол передачи гипертекста, является протоколом прикладного уровня для передачи данных. HTTP используется для взаимодействия по схеме Device-to-User. REST/HTTP основан на коммуникационной модели обмена сообщениями req/res.

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).

Интернет вещей — сегодня этот термин можно услышать чуть ли не на каждом шагу. Многие компании присоединяются к программе по созданию, разработчики выпускают специальные процессоры и GPU для новых поколений устройств. Однако далеко не все знают, что же именно представляет собой Интернет вещей и как далеко в будущее нас сможет завести его создание.

Что такое Интернет вещей?

Определений термина сегодня можно найти сразу несколько, начиная от самых заумных и заканчивая простыми и понятными. В общем и целом Интернет вещей (Internet of Things, IoT) — это единая сеть физических объектов, способных изменять параметры внешней среды или свои, собирать информацию и передавать ее на другие устройства. «Умные» гаджеты, о которых мы в последнее время все чаще слышим, — участники IoT.

Немного истории

Впервые термин «Интернет вещей» (Internet of things) использовал известный футуролог Кевин Эштон (Kevin Ashton) в 1999 году , предсказав начало эры, когда бытовые приборы уже не будут пассивными устройствами, а станут высокоинтеллектуальными гаджетами, без участия человека подключающимися к интернету. Конечно, в те времена все это казалось не более, чем фантастикой. Но с развитием технологии концепция постепенно претворяется в жизнь.

Первой вещью, которая смогла подключаться к интернету самостоятельно (без участия пользователя), был вовсе не телефон и не смартфон, а обычный тостер, созданный в 1990 году Джоном Ромки (John Romkey), выпускником Массачусетского технологического института. Спустя 20 лет количество устройств, подключенных к глобальной сети, превысило население планеты.

Начиная с 2009 года в Брюсселе проводятся ежегодные конференции, посвященные концепции Интернета вещей. Сегодня эта идея считается очередным этапом зрелости новых технологий. Планируется, что в полном объеме концепция будет введена в течение ближайших 10 лет.

Реальные приложения

Фантазия способна показать нам множество сфер приложений концепции Интернета вещей. Правда, по большей части они относятся хоть и не к слишком далекому, но все-таки будущему. Что же может предложить нам глобальная сеть сетей уже завтра?

Прежде всего, это самые разнообразные «умные» дома , которые станут открывать двери для владельцев при приближении, подогревать ужин, поддерживать оптимальный микроклимат, самостоятельно пополнять запасы холодильника и так далее. «Домохозяин будущего» отправится в гости к другому, недвижимость сама проинформирует о вкусах и предпочтениях владельцев.

В автомобильной промышленности Интернет вещей в первую очередь обернется более точным контролем трафика. Автомобили будут оснащены средствами позиционирования, что позволит отслеживать перемещение в реальном времени, заранее предсказывать и устранять различные пробки и заторы на дорогах.

Кроме того, «умный» автомобиль сможет сам рассказать полиции, если его вдруг решат похитить злоумышленники. В более отдаленных планах машине даже не потребуется водитель, вести ее станет компьютер.

Необходимые для развития Интернета вещей технологии

Разумеется, претворение столь масштабной идеи в жизнь невозможно без разработки соответствующих технологий. Камня преткновения в данном случае три: средства идентификации, измерения и передачи данных.

Идентификация

В момент подключения к Интернету вещей каждое устройство будет обязано опознать себя. В качестве средства идентификации могут использоваться как различные визуально распознаваемые идентификаторы (штрих-коды и QR-коды), так и средства определения местонахождения предмета в реальном времени.

Крайне важно обеспечить уникальность каждого идентификатора, что напрямую подводит к вопросу создания стандартов в данной области. Сегодня для этого традиционно используется MAC-адрес сетевого адаптера .

Измерение

Даже если какое-либо устройство получит необходимые данные о состоянии внешней среды, оно должно еще и преобразовать сведения в формат, который воспримут и прочие аппараты . Сегодня для измерения используется широкий класс сенсоров, начиная от самых простых (температуры, давления и прочих), приборов учета потребления и до сложнейших вычислительных систем

Очень важно добиться высокой автономности датчиков , что ставит ребром вопрос о понижении энергопотребления и повышении емкости и эффективности аккумуляторов. В идеале, сенсоры должны питаться энергией полностью автономно, что сразу же решит немало проблем.

Передача данных

В данном случае речь идет, прежде всего, о различных беспроводных сетях. Сегодня наибольший интерес в данной области представляет стандарт IEEE 802.15.4, обеспечивающий максимальную простоту в установке и последующем обслуживании. На его основе построено уже немало протоколов, каждый из которых может стать будущим Интернета вещей.

Проблемы развития

Развитие Интернета вещей встретит на своем пути еще немало проблем. Две из них потребуется решить в ближайшее время. Речь идет о разработке единого языка, на котором смогут общаться между собой подключенные датчики, сенсоры и приборы. Без такого «компьютерного эсперанто» сети просто не смогут общаться между собой, что делает создание «умного города» невозможным.

Вторая проблем — разработка единых стандартов в этой области. Без создания оных объединение сетей становится невозможным. К счастью, сегодня технологии развиваются очень стремительно и многие производители уже заинтересовались Интернетом вещей, так что вряд ли все это заставит себя ждать.

Вопрос безопасности

Одним из немаловажных вопросов в данном случае остается защита данных. Если новая сеть не будет полностью безопасной, пользоваться ей никто просто-напросто не станет. Человек не захочет, чтобы его «умные» тапочки рассказали злоумышленникам о том, когда владелец ложится спать или уходит на работу.

Кроме того, использование беспроводной технологии для связи между отдельными устройствами способно открыть злоумышленникам поистине бесконечные перспективы. Конечно, разработка соответствующих методов защиты информации ведется уже сейчас, но за последнее время какими-либо выдающимися достоинствами данное направление похвастать не может.

Будущее технологии

Чего же ждать людям от этой интересной концепции? Прежде всего, бурного развития интернета в ближайшие годы. Постепенно вещи и предметы, общаясь между собой и с людьми, смогут все глубже и глубже проникать во все сферы жизни, в том числе и в бизнес, и в социальные сферы.

Роб Ван Краненбург (Rob Van Kranenburg), известный теоретик дизайна, считает, что Интернет вещей станет своего рода пирогом, состоящим из 4 слоев:

1. Идентификация каждого объекта из нашего окружения.
2. Предоставление сервиса по обеспечению потребностей пользователей (в качестве примера можно назвать систему «умный» дом).
3. Сбор и обработка информации, организация процессов и управление обществом на основе полученных сведений. В качестве примера можно указать автоматическое регулирование дорожного движения на основе анализа трафика. Своеобразный «умный город».
4. Завершающий этап развития. Все описанные процессы переходят от города в масштабы планеты. Несколько сетей, связывающих отдельные мегаполисы, объединяются в глобальную «сеть сетей».

Следующим этапом развития данной концепции станет «Интернет всего», «Всеобъемлющий интернет», который позволит подключить к всемирной сети буквально все, что только возможно.

Планетарная сеть станет развиваться самостоятельно и принимать решения по разработанным программистами алгоритмам.

Так как это будет выглядеть?

Можно не сомневаться, что Интернет вещей полностью преобразит жизнь многих людей. Какой она станет через 5 лет? По дорогам станут ездить машины под управлением системы контроля трафика. Просыпающемуся рано утром человеку дом расскажет свежие новости, приготовит вкусный завтрак и напомнит о запланированных делах. Домашняя медицинская система соберет показатели заболевшего и автоматически проконсультируется с лечащим врачом, а после — закажет в ближайшей аптеке нужные лекарства. При входе в магазин система расскажет, где находятся нужные продукты, перечисленные в меню, о котором ей расскажет, опять же, «умный» дом или приложение после консультации с врачом-диетологом.

Впрочем, «взглянуть в будущее» можно уже сейчас:

На первый взгляд многое из этого может показаться полнейшей фантастикой, но если присмотреться, то становится ясно: технологии медленно и верно входят в нашу повседневную жизнь. Дело за малым — объединить их все в подлинный Интернет вещей.