Что такое сетевой уровень в iot

Обзор сетевых протоколов и протоколов обмена сообщениями для IoT

Интернет вещей (IoT, Internet of Things) будет построен на базе существующей сетевой инфраструктуры, технологий и протоколов, используемых в настоящее время в домах/офисах и в Интернете, и предложит много другого.

Цель данного руководства — дать краткий обзор сетевых и прикладных протоколов для IoT.

Примечание. У вас должны быть знания основ сетевых технологий.

IoT-сети

IoT будет работать в существующих TCP/IP-сетях.

TCP/IP использует четырехуровневую модель с определенными протоколами на каждом уровне. См. understanding the TCP/IP 4 layer model (разбираемся с четырехуровневой моделью TCP/IP).

На диаграмме ниже показано сравнение протоколов, используемых в настоящее время, и тех что, скорее всего, будут использоваться для IoT.

Примечания к диаграмме:

1. Размер шрифта отображает степень популярности протокола. Например, слева IPv4 больше, так как он гораздо популярнее в современном Интернете. Однако справа он меньше, поскольку ожидается, что IPv6 будет более популярным в IoT.
2. Показаны не все протоколы.
3. Больше всего изменений на канальном (уровни 1 и 2) и прикладном уровнях (уровень 4).
4. Сетевой и транспортный уровни, скорее всего, останутся неизменными.

Протоколы канального уровня

На канальном уровне (Data Link) вам нужно соединить устройства между собой. Они могут находиться как недалеко, например, в локальных сетях (local networks) так и на большом расстоянии друг от друга: в городских (metropolitan area networks) и глобальных сетях (wide area networks).

В настоящее время на этом уровне в домашних и офисных сетях (LAN) используются Ethernet и Wi-Fi, а в мобильных (WAN) — 3G / 4G. Однако многие IoT-устройства маломощные, например, датчики, и питаются только от батарей. В этих случаях Ethernet не подходит, но можно использовать low powered Wi-Fi и low powered Bluetooth.

Хотя для подключения этих устройств по-прежнему будут использоваться существующие беспроводные технологии (Wi-Fi, Bluetooth, 3G / 4G), стоит также обратить внимание на новые технологии, специально разработанные для IoT-приложений, популярность которых, по всей вероятности, будет расти.

• BLE – Bluetooth Low Energy
• LoRaWAN – Long Range WAN
• SigFox
• LTE-M

Более подробно они описаны в статье An overview of IOT wireless technologies (обзор беспроводных технологий IoT).

Сетевой уровень

На сетевом уровне (Networking) в долгосрочной перспективе будет доминировать протокол IPv6. Маловероятно, что будет использоваться IPv4, но он может играть определенную роль на начальных этапах. Большинство IoT-устройств для дома, например, умные лампочки, в настоящее время используют IPv4.

Транспортный уровень

На транспортном уровне (Transport) в Интернете и вебе доминирует TCP. Он используется как в HTTP, так и во многих других популярных протоколах Интернета (SMTP, POP3, IMAP4 и т. д.).

MQTT, который, как я ожидаю, станет одним из основных протоколов прикладного уровня для обмена сообщениями, в настоящее время использует TCP.

Однако в будущем из-за более низких накладных расходов, я ожидаю, что UDP будет более популярен для IoT. Вероятно, более широкое распространение получит MQTT-SN, работающий поверх UDP. См. статью о сравнении TCP vs UDP .

Прикладной уровень и протоколы обмена сообщениями

Важные характеристики для протоколов IoT:

• Скорость — количество передаваемых данных в секунду.
• Задержка — время, необходимое для передачи сообщения.
• Потребляемая мощность.
• Безопасность.
• Наличие программных средств.

В настоящее время на этом уровне активно используются два основных протокола: HTTP и MQTT.

HTTP, вероятно, самый известный протокол этого уровня, лежащий в основе веба (WWW). Он по прежнему будет иметь важное значение для IoT, поскольку используется для REST API — основного механизма взаимодействия веб-приложений и сервисов. Однако, из-за высоких накладных расходов, HTTP вряд ли станет основным протоколом IoT, хотя все равно будет широко использоваться в Интернете.

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) стал основным протоколом обмена сообщениями в IoT, благодаря своей легкости и простоте в использовании. См. статью Introduction to MQTT for beginners (Введение в MQTT для начинающих).

Сравнение HTTP и MQTT для IoT

MQTT быстро становится стандартом де-факто для IoT-приложений. Это происходит из-за его легкости и скорости по сравнению с HTTP и того, что он является протоколом «один ко многим», а не «один к одному» (HTTP).

Многие современные веб-приложения, с радостью использовали бы MQTT вместо HTTP, если бы он был доступен на момент их разработки.

Хороший пример — отправка информации множеству клиентов, например, о прибытии и отправлении поездов / автобусов / самолетов. В этом сценарии протокол «один-к-одному», такой как HTTP, имеет большие накладные расходы и создает большую нагрузку на веб-серверы. Масштабирование этих веб-серверов может быть затруднено. С MQTT клиенты подключаются к брокеру, которые легко можно добавлять для балансировки нагрузки. Смотрите об этом туториал с видео Republish HTML Data Over MQTT (Flight Arrivals Example) и статью MQTT vs HTTP for IOT.

Другие протоколы обмена сообщениями

HTTP не был разработан для IoT-приложений, но, как уже упоминалось, он будет широко использоваться в течение какого-то времени благодаря его широкому использованию в API.

Почти все платформы IoT поддерживают как HTTP, так и MQTT.

Однако есть и другие протоколы, которые стоит рассмотреть.

• MQTT — (Message Queuing Telemetry Transport). Использует TCP/IP. Для модели «издатель-подписчик» требуется брокер сообщений.
• AMQP — (Advanced Message Queuing Protocol). Использует TCP/IP. Модели «издатель-подписчик» и «точка-точка».
• COAP — (Constrained Application Protocol). Использует UDP. Разработан специально для IoT, использует модель запроса-ответа как в HTTP. RFC 7252.
• DDS — (Data Distribution Service)

В этой статье рассматриваются основные протоколы и их применения. Вывод этой статьи заключается в том, что IoT будет использовать набор протоколов, в зависимости от их предполагаемого применения.

Однако, если оглянуться назад, в первые годы существования Интернета протокол HTTP, впоследствии ставший доминирующим, был всего лишь одним из множества протоколов.

Несмотря на то что HTTP не был изначально задуман для передачи файлов и электронной почты, сегодня он используется и для того и для другого.

Я ожидаю, что в IoT с протоколами обмена сообщениями произойдет то же самое: большинство сервисов будут использовать один преобладающий протокол.

Ниже приведены графики Google Trends, показывающие, как изменялась популярность MQTT, COAP и AMQP за последние несколько лет.

Обзор Google Trends

Поддержка протоколов по платформам

• Microsoft Azure — MQTT, AMQP, HTTP и HTTPS
• AWS — MQTT, HTTPS, MQTT over websockets
• IBM Bluemix – MQTT,HTTPS,MQTT
• Thingworx — MQTT,HTTPS,MQTT,AMQP

Резюме

Больше всего изменений на канальном (уровни 1 и 2) и прикладном уровнях (уровень 4).

Сетевой и транспортный уровни, скорее всего, останутся неизменными.

На прикладном уровне компоненты IoT будут использовать протоколы обмена сообщениями. Хотя мы все еще находимся на раннем этапе развития IoT, вполне вероятно, что выделится один или, возможно, два протокола обмена сообщениями.

За последние несколько лет MQTT стал самым популярным, и именно на нем я сейчас фокусируюсь на этом сайте.

HTTP также по-прежнему будет использоваться, так как он уже хорошо встроен в существующие IoT-платформы.

На этом все. Приглашаем вас записаться на бесплатный демо урок по теме «Чат-бот для быстрых команд устройству».

Читать ещё:

Проблемы и задачи реализации концепции Интернета Вещей

Интернет Вещей — это стремительно развивающаяся комплексная концепция, включающая в себя исследования в области информатики, сетевых технологий, микроэлектроники и сенсорной техники. Данная парадигма представляет собой основное направление развития сетевых технологий в будущем и позволит решить многие рутинные задачи человечества, начиная от измерения экологических показателей и заканчивая увеличением эффективности производства.

В этой статье мы познакомимся с основными определениями Интернета Вещей и его характеристиками, проведем анализ области и выделим основные проблемы и задачи, стоящие на пути реализации данной концепции.

Что же такое IoT?

Интернет вещей (Internet of Things, IoT) определяется как концепция, в которой большая часть устройств, используемых людьми, будет снабжена микроконтроллерами для управления и сетевыми интерфейсами для цифровой передачи данных и общения между собой. Группа RFID определяет IoT как всемирную сеть доступных объектов, чья уникальная адресация основана на стандартных протоколах связи.

Можно выделить следующие сферы использования Интернета Вещей: промышленность и производство; транспорт и перевозки; контроль технического состояния конструкций зданий, качества воздуха, шумового фона и потребляемой энергии; управление отходами; умные парковки и предоставление данных о дорожных пробках; умное уличное освещение и использование в быту.

С технической точки зрения, IoT является не новой технологией, а совокупностью уже существующих средств, которые предоставляют следующие возможности:

• связь и взаимодействие — объекты могут создавать соединение с интернет-ресурсами или друг с другом и обновлять свое состояние. Первостепенное значение имеют беспроводные технологии, такие как GSM и UMTS, Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee и другие разрабатываемые в настоящее время стандарты беспроводной сети.
• адресуемость — в Интернете Вещей объекты распределены в пространстве и должны иметь однозначную адресацию.
• идентификация позволяет однозначно ассоциировать данные с конкретным объектом и извлекать их. Стандарты RFID и NFC являются примерами технологий, с помощью которых можно идентифицировать даже пассивные объекты, не имеющие встроенные энергетические ресурсы.
• зондирование — IoT устройства собирают информацию об окружающей среде с помощью датчиков, обмениваются ею или изменяют свое состояние под её воздействием.
• встроенная обработка информации — объекты могут быть оснащены процессором или микроконтроллером для мгновенного анализа и обработки информации.
• локализация — устройства знают о своем физическом местоположении, что достигается за счет использования GPS или сети мобильной связи, а также радиомаяков (например, WLAN или RFID ридеров с известными координатами).

Основные проблемы и задачи

Концепция Интернета Вещей является комплексной и подразумевает объединение таких областей как аппаратные средства, сети и программное обеспечение. В результате возникает большое число проблем и задач, которые являются как технологическими, так и социально-правовыми.

Архитектура системы

Основополагающей задачей IoT является разработка и выбор правильной архитектуры системы, так как от решений на начальных этапах исследований будет зависеть весь дальнейший процесс разработки. На данный момент не существует конкретного соглашения по архитектуре IoT, которое было бы утверждено и использовалось повсеместно.

Наиболее распространенными являются трех и пяти уровневые модели архитектур. Первая из них является базовой и включает уровень восприятия, сетевой и прикладной уровни. Данная модель определяет основную идею IoT, но она недостаточно детализирована, что необходимо для более глубоких исследований. Поэтому в литературе предлагаются архитектуры с большим числом уровней. Например, пятиуровневая модель, которая дополнительно включает в себя уровни обработки и транспортный уровень.

Другими примерами являются облачная и туманная архитектуры. По мнению исследователей, в последнее время появилась тенденция развития туманных вычислений, в которых датчики и сетевые шлюзы выполняют часть задач по обработке и анализу данных.

Туманные и облачные вычисления зачастую используются совместно, так как это необходимо для оптимальной производительности IoT приложений. Для реализации туманных вычислений шлюз может быть встроен между локальными сетями и «облаком». Здесь применяется многоуровневый подход, в котором предоставляются функции мониторинга (контроль используемой мощности и ресурсов), предварительной обработки (фильтрация, обработка и анализ данных), хранения (репликация данных, распространение и хранение) и обеспечения защищенности данных (шифрование и обеспечение целостности и конфиденциальности данных). На текущий момент эта архитектура представляет наибольший интерес, и по мнению исследователей, является наиболее перспективной.

Питание устройств

Важной задачей IoT является электропитание устройств, которые постоянно перемещаются и не обладают постоянным источником энергии. Во многих случаях батареи и блоки питания являются проблемными из-за их размера, веса и требований к обслуживанию. Надежды разработчиков и исследователей возлагаются на будущее маломощных процессоров для встроенных систем, которые могут потреблять значительно меньшую энергию. Существуют аккумуляторные беспроводные датчики, которые могут передавать свои показания на расстояние в несколько метров. Как и RFID системы, они получают энергию либо удаленно, либо от самого процесса измерения, например, с помощью пьезоэлектрических или пироэлектрических материалов. Также для уменьшения расходов по питанию необходимо сформировать стек протоколов с наименьшим объемом передаваемых данных.

Отсюда вытекают задачи разработки и выбора стандарта беспроводной связи. С точки зрения энергетических затрат, стандартные технологии, такие как GSM, Wi-Fi и Bluetooth, являются неподходящими – они обладают широкой полосой пропускания и используют недопустимый для IoT систем объем энергии.

Для решения этой проблемы были разработаны стандарты, соответствующие требованиям Интернета вещей, например, IEEE 802.15.4, IEEE 802.11 Low Power, Bluetooth Low Energy, 6LoWPAN, RFID, NFC, ZigBee, Sigfox, LoraWAN и другие протоколы для беспроводных сетей, которые используют мало энергии и совместимы с существующими протоколами транспортного и сетевого уровней.

Разработка стека веб протоколов

Разработка веб стека для IoT требует грамотного построения его структуры, которая будет отвечать, как требованиям коммуникационной инфраструктуры (совместимость с существующими стандартами), так и требованиям Интернета вещей. Примерами таких стандартов являются: на уровне представления – CoAP; транспортный уровень – UDP; сетевой уровень – IPv6/6LoWPAN.

Данные стандарты взаимодействуют с коммуникационной инфраструктурой точно также, как и протоколы неограниченного стека, однако объем передаваемых данных значительно меньше. Этот факт способствует уменьшению потребляемой IoT устройствами мощности и увеличению времени их работы.

Схема адресации устройств

Схемы адресации являются критичным аспектом в плане уникальности адресов, присваиваемых устройствам IoT, так как они должны однозначно идентифицировать другие устройства и обмениваться с ними информацией. Наиболее важными особенностями создания уникального адреса являются: его однозначность, надежность, устойчивость и масштабируемость.

Существующий и повсеместно используемый протокол IPv4 позволяет идентифицировать лишь группу устройств, находящихся в определенной географической зоне, но не имеет возможности выделить каждый отдельный узел IoT. Облегчить проблемы идентификации устройств может протокол IPv6, однако неоднородность беспроводных узлов, переменные типы данных, одновременные операции и слияние данных с разных устройств еще больше усугубляют проблему.

Масштабируемость IoT систем

Следующей проблемой IoT является масштабируемость. По оценкам Cisco, в 2020 году к «облаку» будет подключено 50 миллиардов устройств, а согласно оценкам Gartner – 26 миллиардов. IoT имеет более широкий общий объем, чем обычный Интернет. Поэтому масштабируемость пространства IoT будет более сложной, чем у обычных веб-приложений. Однако большинство данных, полученных устройствами IoT, могут или должны быть обработаны локально и немедленно отброшены.

Гарантированное качество обслуживания (QoS)

Веб-пользователи допускают переменную задержку обычных веб-служб, однако временная недоступность датчиков или исполнительных устройств IoT будет непосредственно воздействовать на физический мир. Необходим управляемый, оптимальный подход к обслуживанию различных сетевых трафиков, каждый из которых имеет свои собственные потребности.

Еще одним аспектом IoT является постоянное функционирование сети для повсеместной и неустанной передачи данных. Хотя стек TCP/IP гарантирует это путем маршрутизации более надежным и эффективным способом, от источника до точки назначения, IoT сталкивается с узким местом в интерфейсе между шлюзом и беспроводными сенсорными устройствами. Добавление сетей и устройств не должно снижать производительность сети, функционированию устройств, надежности передачи данных по сети или эффективному использованию устройств из пользовательского интерфейса.

Безопасность и конфиденциальность личной информации

В дополнение к аспектам безопасности, таким как подлинность и надежность канала связи, и целостность сообщений, в IoT будут иметь важное значение и другие требования. Нужно будет предоставить устройству выборочный доступ к кругу услуг, или в определенное время предотвратить общение с другими устройствами. Промежуточное программное обеспечение должно иметь встроенные механизмы для решения этой задачи, наряду с аутентификацией пользователей и реализацией контроля доступа. Многие задачи по защите информации могут быть решены с помощью криптографических методов и требуют больше исследований, прежде чем они могут быть широко использованы.

Международная деятельность

Международная деятельность в области Интернета Вещей набирает обороты, и многие инициативы осуществляются в отраслях промышленности, научных кругах и на различных уровнях государственного управления. В Европе прилагаются значительные усилия по объединению деятельности исследовательских групп и организаций, охватывающей М2М, WSN и RFID, в единую систему IoT для определения эталонной модели взаимодействия систем Интернета Вещей и ключевых составных блоков для достижения этой цели. В Японии, Корее, США и Австралии реализуются масштабные инициативы, где промышленность и правительственные ведомства сотрудничают по различным программам в области IoT. Интенсивная работа в сфере IoT также ведется и в Китае в его 12-ой пятилетке, в которой указано, что ресурсы и инвестиции должны быть ориентированы на разработку IoT в различных областях.

Отсюда вытекает необходимость создания единого для всех стран союза по решению проблем IoT, чтобы увеличить темпы развития сферы и определить путь для скоординированной реализации этой технологической идеи.

Что в итоге?

С непрекращающимся расцветом новых технологий IoT концепция Интернета Вещей скоро будет неумолимо развиваться в очень больших масштабах. Эта новая парадигма сетевого взаимодействия будет влиять на каждую часть нашей жизни, начиная от автоматизированных домов до интеллектуального мониторинга здоровья и окружающей среды путем внедрения «интеллекта» в объекты вокруг нас.

Интернет Вещей является комплексной сферой, которая требует разработки стандартов в разных областях. Вследствие сложности и структурности концепции на пути её развития возникает множество задач, связанных с различными областями. Промышленность может извлечь выгоду из развития Интернета Вещей, который тесно связан с телекоммуникационной, аппаратной, программной и сервисной отраслями.

Компоненты и советы по проектированию архитектуры решения IoT

Предприятия продолжают прыгать на подножку Интернета вещей и обращаться к [консалтинговым фирмам IoT] (https://itrexgroup.com/services/iot-development-consulting/). Согласно недавним исследованиям по фактам и факторам ожидается глобальный рынок IoT к 2028 году достичь 1 842 млрд долларов США, увеличившись в среднем на 24,5%. Однако развертывание IoT не так просто. Beecham Research сообщает, что 75% всех IoT-проектов либо не соответствуют установленным ожиданиям, либо терпят неудачу.

Распространенной причиной этого является отсутствие планирования и вытекающие из этого технические проблемы. Что помогает предотвратить риск сбоя, так это заранее разработать план архитектуры IoT. В этом сообщении блога мы проливаем свет на основные компоненты архитектуры IoT и показываем, как разработка архитектуры IoT может выглядеть на практике, на примере проекта из портфолио ITRex.

Давайте погрузимся прямо, начиная с самых основ.

Что такое архитектура IoT?

Архитектура Интернета вещей представляет собой сочетание аппаратных и программных компонентов, которые взаимодействуют друг с другом, образуя интеллектуальную киберцифровую систему. Взаимодействуя друг с другом, эти компоненты составляют основу для построения решения IoT. Прежде чем мы углубимся в детали, давайте проясним ситуацию: не существует универсального подхода к проектированию архитектуры IoT. Тем не менее, базовая компоновка остается практически неизменной независимо от решения.

Стандартная архитектура IoT: что под капотом?

Общие приложения IoT, управляемые данными, опираются на стандартную архитектуру IoT, охватывающую четыре уровня:

• Уровень устройства

• Сетевой уровень

• Уровень поддержки сервисов и приложений

• Прикладной уровень

Однако в последнее время все больше и больше подключенных систем начали смещать акцент на периферийную обработку, что привело к добавлению дополнительного уровня к традиционной четырехуровневой архитектуре. Доля действий, выполняемых на периферии, зависит от конкретной реализации, но обычно включает обеспечение подключения, а также фильтрацию, агрегирование, защиту и обработку входящих данных. Таким образом, архитектура стандартного IoT-решения с периферийной аналитикой может выглядеть следующим образом:

Уровень устройства

Уровень устройств включает в себя все виды интеллектуальных подключенных устройств или неэлектронных объектов, дополненных камерами и/или датчиками и, при необходимости, исполнительными механизмами. Датчики принимают данные из внешнего мира и преобразуют их в электрические сигналы, чтобы компьютер мог их обработать. Датчики IoT различаются по размеру и назначению. Они способны записывать все типы информации — от температуры до движения, влажности и многого другого. Актуаторы, в свою очередь, заставляют подключенные устройства действовать в соответствии с командами, отправленными из центра обработки данных. Как только исполнительный механизм получает команду, он заставляет устройство вести себя определенным образом. Например, интеллектуальная система освещения может включать свет при обнаружении поблизости движения.

Сетевой уровень

Сетевой уровень включает в себя различные коммуникационные технологии, которые соединяют уровень устройств и последующие уровни архитектуры IoT. В зависимости от рассматриваемого решения IoT подключение устройств может быть разрешено напрямую или через шлюзы. Последнее часто применяется к устаревшим устройствам, которые не могут быть подключены напрямую или при несоответствии протокола. Современные IoT-решения опираются на следующие коммуникационные технологии:

• LPWAN, или глобальные сети с низким энергопотреблением, были созданы специально для поддержки крупномасштабных решений IoT. LPWAN предоставляет возможности для удаленной связи, будучи энергоэффективным, долговечным и дешевым. Недостатком является то, что LPWAN передают только небольшие объемы данных с довольно низкой скоростью, поэтому они лучше подходят для случаев использования, которые не чувствительны ко времени и не требуют высокой пропускной способности, например, умные здания или промышленный IoT.

• Zigbee — это стандарт беспроводной связи малого радиуса действия, который лучше всего подходит для приложений Интернета вещей средней дальности с равномерно распределенными поблизости узлами, например, для умных домов. По сравнению с LPWAN Zigbee обеспечивает более высокую скорость передачи данных, но менее энергоэффективен.

• Сотовые сети (3G/4G/5G) обеспечивают надежную широкополосную связь, поэтому они хорошо подходят для поддержки таких вариантов использования, как подключенные автомобили, маршрутизация трафика, управление автопарком или расширенная помощь водителю. Тем не менее, сотовые сети плохо сочетаются с сенсорными сетями с батарейным питанием и несут высокие эксплуатационные расходы, что ограничивает их использование.

• Bluetooth обеспечивает связь ближнего действия и используется для небольших потребительских IoT-устройств, таких как спортивные или медицинские носимые устройства, устройства Internet of Body и умная бытовая техника.

• Wi-Fi обеспечивает передачу данных с высокой пропускной способностью. Тем не менее, из-за проблем с покрытием, масштабируемостью и энергопотреблением Wi-Fi часто не является приемлемым выбором для обширных сетей IoT или устройств IoT с батарейным питанием. Вместо этого он больше подходит для интеллектуальных устройств, которые подключаются к розетке, таких как гаджеты для умного дома, камеры видеонаблюдения или цифровые вывески.

• RFID использует радиоволны для передачи небольших объемов данных от метки RFID к расположенному поблизости считывателю. Эта коммуникационная технология широко используется в логистике и розничной торговле.

Чтобы получить лучшее представление о том, какая коммуникационная технология соответствует вашему решению, мы составили таблицу, в которой представлены предпочтительные способы использования каждой из них:

Уровень граничных вычислений

Уровень пограничной обработки состоит из шлюзов, локальных серверов или других пограничных узлов, разбросанных по сети. Идея внедрения периферийных устройств заключается в том, чтобы хранить и обрабатывать данные рядом с их источником, отправляя в облако только часть сгенерированных записей или массово загружая данные в облако через заданные промежутки времени вместо их передачи в режиме реального времени.

Помимо обработки данных, пограничный уровень может фильтровать, объединять и шифровать входящую информацию. Локальная обработка данных помогает сэкономить время и ресурсы, которые в противном случае потребовались бы для передачи всех сгенерированных записей в облако.

Таким образом, это приводит к лучшей задержке и более высокой производительности. Добавление пограничного уровня является приемлемым вариантом для случаев использования IoT, которым требуется анализ данных в режиме реального времени и требуется встроенная масштабируемость и повышенная безопасность, например, медицинские системы IoT, системы видеонаблюдения или умные автомобили.

Уровень поддержки сервисов и приложений

Именно здесь оказывается большая часть данных, собираемых IoT-устройствами. Итак, уровень поддержки сервисов и приложений используется для накопления, обработки и хранения данных. Здесь происходят два основных процесса:

• Накопление данных Системы Интернета вещей генерируют огромные объемы данных, и не все эти данные нужно немедленно использовать. Таким образом, архитектура IoT может иметь озеро данных для хранения всей сгенерированной информации и отправки только очищенных и отфильтрованных записей по конвейеру управления данными. Итак, основная цель этого этапа — собрать все данные воедино, выяснить, соответствует ли та или иная информация бизнес-требованиям, и решить, как ее хранить — во временной базе данных или в хранилище данных.

• Абстракция данных На этом этапе информация с устройств IoT дополняется данными из соответствующих внешних источников. Это могут быть ERP, EMR и другие корпоративные системы. Преобразованные в соответствии с унифицированным форматированием данные попадают в централизованное хранилище, например, в хранилище данных, где к ним можно удобно получить доступ для анализа.

Прикладной уровень

На прикладном уровне накопленные, обработанные и интегрированные данные с IoT-устройств и внешних источников обрабатываются алгоритмами аналитики, а результаты анализа представляются пользователям. Типы приложений различаются в зависимости от бизнес-требований системы IoT. Они могут включать в себя веб-приложения или мобильные приложения, которые предоставляют конечным пользователям визуализированную информацию или управляют устройствами IoT с помощью приводов, инструментов бизнес-аналитики или расширенных аналитических решений, основанных на машинном обучении и искусственном интеллекте.

Проектирование архитектуры IoT на практике: что ждет впереди?

Теперь, когда мы пролили свет на теоретическую концепцию архитектуры IoT, давайте посмотрим, как ее разработка может выглядеть на практике. Чтобы проиллюстрировать особенности построения IoT-решений, обратимся к проекту из портфолио ITRex.

Один из наших клиентов обратился к нам с идеей создания умного зеркала для фитнеса. чтобы помочь людям тренироваться дома так же эффективно, как и в спортзале.

Зеркало заменит фитнес-тренера, «наблюдающего» за тренирующимся человеком, чтобы давать обратную связь о тренировках и составлять индивидуальные планы тренировок для будущих тренировок.

Инженеры ITRex взяли на себя задачу и разработали архитектуру решения, охватывающую все: от аппаратного обеспечения до прошивки и мобильных приложений для конечных пользователей. Архитектура, которую мы в итоге разработали, в значительной степени ориентирована на граничные вычисления. Большая часть данных с датчиков и камер зеркала обрабатывается на самом устройстве, и только часть статистической информации передается в облако.

Кирилл Сташевский, технический директор ITRex, объясняет выбор приоритета граничных вычислений над традиционными облачными моделями: «Мы протестировали оба подхода — и граничные вычисления выиграл с точки зрения обеспечения более высокой производительности. Таким образом, данные с зеркальных камер и клейких датчиков движения, которые сопровождают зеркало и идут на весах, анализируются рядом с тем местом, где они генерируются. Это экономит много времени и помогает сократить операционные расходы. И это то, что касается разработки успешных архитектур IoT — вы должны делать выбор и проверять предположения, выбирая то, что лучше всего подходит для вас». Таким образом, высокоуровневая архитектура решения выглядит следующим образом:

Зеркало оснащено сетями искусственного интеллекта, предварительно обученными на обширных видеозаписях тренировок людей. Когда человек тренируется, он записывается встроенными в зеркало камерами, и видеозапись тут же пропускается через сети ИИ, которые сравнивают тренировку с эталонной моделью.

Таким образом, ИИ-движок в режиме реального времени генерирует рекомендации о том, является ли тренировка человека здоровой, и предлагает необходимые улучшения — будь то вес, техника или интенсивность. Когда стажер использует зеркало, для персонализации локально развернутых сетей ИИ используются видеоматериалы, поэтому качество предложений со временем улучшается.

По словам Кирилла, персонализация — еще одна причина, по которой мы выбрали архитектуру, ориентированную на периферию. Локальное обучение сетей на основе видеозаписей, записанных в контексте использования зеркала, дает гораздо лучшие результаты, чем обучение алгоритмов в облаке с опорой на общий контент. Еще одной причиной выбора архитектуры, ориентированной на периферию, является конфиденциальность, поскольку обработка данных рядом с местом их создания избавляет от необходимости передавать отснятый материал по сети для анализа.

Несмотря на то, что архитектура решения ориентирована на периферию, она также включает в себя облачную часть. Однако его основная цель — сбор статистических данных об использовании и производительности зеркал. Еще одним компонентом решения является социальное мобильное приложение, позволяющее конечным пользователям записывать свои результаты, делиться ими с друзьями и тренироваться вместе.

Резюме того, почему важно заранее разработать план архитектуры IoT

Если вы намерены внедрить IoT, вы должны заранее разработать продуманную архитектуру будущего решения. Системы с плохой архитектурой не масштабируются и не могут справиться со сложностью, в то время как хорошо спроектированная архитектура IoT позволит вам планировать будущее и гарантировать:

• Удобство обслуживания. Хорошо спроектированные системы Интернета вещей проще и дешевле обслуживать. Поскольку общая картина со всеми компонентами, процессами и интеграциями ясна, проще перейти к более мелким задачам. Когда дело доходит до поиска проектов, хорошо спроектированные системы также облегчают привлечение новых талантов и сокращают время, необходимое для передачи знаний.

• Масштабируемость. С запланированной начальной архитектурой становится проще масштабировать систему IoT как по вертикали, так и по горизонтали, добавляя новые функции или добавляя дополнительные конечные узлы.

• Рентабельность. Уделение времени тщательному проектированию системы Интернета вещей помогает сделать лучший выбор технологий, тем самым снижая затраты на разработку и эксплуатацию расходов на решения Интернета вещей.

• Высокая производительность. Наличие четкого архитектурного видения помогает улучшить поток данных, а также обрабатывать входящие данные с помощью соответствующих инструментов, что помогает достичь более высокой производительности системы.

• Интероперабельность. Архитектура IoT может охватывать несколько устройств, использующих разные протоколы связи, которые не всегда хорошо сочетаются друг с другом. Продуманная архитектура IoT помогает обеспечить бесперебойную совместную работу различных устройств и компонентов.

• Безопасность. Вложив первоначальные усилия в проектирование системы, вы сможете избежать лазеек в системе безопасности и спланировать необходимые механизмы безопасности IoT.

Что такое IoT, или интернет вещей

Наверняка вы уже слышали словосочетание «интернет вещей» и видели сокращение IoT, но, возможно, не знаете, что за ними скрывается. Что же такое IoT, или интернет вещей?

IoT относится к соединению устройств (кроме обычных компьютеров и смартфонов) через интернет. Автомобили, кухонная бытовая техника и даже кардиомониторы могут быть соединены через IoT. И так как интернет вещей в следующие несколько лет будет только расти, в этом списке будет появляться всё больше устройств.

Мы подготовили справочник по IoT для новичков, который поможет сориентироваться в удивительном связанном мире.

Понятия и основные определения

Ниже мы публикуем небольшой словарик с определениями, которые относятся к интернету вещей.

IoT, или интернет вещей, — это сеть связанных через интернет объектов, способных собирать данные и обмениваться данными, поступающими со встроенных сервисов.

Устройства, входящие в интернет вещей, — любые автономные устройства, подключённые к интернету, которые могут отслеживаться и/или управляться удалённо.

Экосистема IoT, или интернета вещей, — все компоненты, которые позволяют бизнесу, правительствам и пользователям присоединять свои устройства IoT, включая пульты управления, панели инструментов, сети, шлюзы, аналитику, хранение данных и безопасность.

Физический уровень — аппаратное обеспечение, которое используется в IoT-устройствах, включая сенсоры и сетевое оборудование.

Сетевой уровень отвечает за передачу данных, собранных на физическом слое, к различным устройствам.

Уровень приложения включает протоколы и интерфейсы, которые устройства используют для идентификации и связи друг с другом.

Пульты управления позволяют людям использовать IoT-устройства, соединяясь с ними и контролируя их посредством панели инструментов, такой как мобильное приложение. К пультам управления относятся смартфоны, планшеты, ПК, умные часы, телевизоры и нетрадиционные пульты.

Панели инструментов обеспечивают отображение информации о экосистеме IoT для пользователей, что позволяет им управлять экосистемой IoT. Обычно используется удалённое управление.

Аналитика — программные системы, которые анализируют данные, полученные от IoT-устройств. Аналитика используется в большом количестве сценариев, например для прогнозирования технического обслуживания.

Хранение данных — то, где хранятся данные с IoT-устройств.

Сети — слой интернет-коммуникаций, который позволяет операторам общаться с устройством, а устройствам — общаться друг с другом.

Индустрия IoT

От использования IoT-устройств получат выгоды следующие направления:
— производство;
— транспорт;
— оборона;
— сельское хозяйство;
— инфраструктура;
— розничные продажи;
— логистика;
— банки;
— нефть, газ, добыча полезных ископаемых;
— страховое дело;
— умные дома;
— производство продуктов питания;
— обслуживание;
— госпитали;
— охрана здоровья;
— умные постройки;
— IoT-компании.

Интернетом вещей занимаются уже сотни компаний, и их список в следующие несколько лет только расширится.

Платформы IoT

Одно устройство IoT соединяется с другим для передачи информации через интернет-протоколы. IoT-платформы служат мостом между сенсорами устройств и сетью передачи данных.

Вот несколько самых крупных платформ IoT, которые сейчас действуют на этом рынке:
— Amazon Web Services;
— Microsoft Azure;
— ThingWorx IoT Platform;
— IBM’s Watson;
— Cisco IoT Cloud Connect;
— Salesforce IoT Cloud;
— Oracle Integrated Cloud;
— GE Predix.

Хотите больше новостей? Facebook. Быстрее всех? Telegram и Twitter. Подписывайтесь!