Что нужно знать об интернете вещей: фундаментальный ликбез



    Об IoT говорят сегодня чуть ли не из каждого («умного») утюга. При этом в таких разговорах обычно пропускают базовые вещи: что такое интернет вещей, из чего он состоит, и кто может отвечать на эти вопросы на правах «уполномоченного органа». А между тем, вопросы эти весьма актуальны. Вот, скажем, ваш (говорящий об IoT) «умный» утюг — он относится к интернету вещей? В этом посте мы расскажем об архитектуре интернета вещей: из каких компонентов он состоит, какие технологии имеют особое значение, какие решения позволяют упростить массовое внедрение, а также кто в мире главный по IoT.

    Что такое интернет вещей?


    Исследовательская компания Gartner определяет IoT как сеть физических объектов, содержащих средства для взаимодействия с внешней средой и между собой, а также для передачи сведений о своём состоянии и приёма команд.

    Менее абстрактное определение предлагает McKinsey: IoT — это датчики и приводы, встроенные в физические устройства и подключенные к интернету через проводные или беспроводные сети.

    Развитием IoT занимаются не только производители устройств, но и специализированные организации, в числе которых Международный союз электросвязи (ITU), Industrial Internet Consortium и IETF.

    В рекомендациях Y.2060 Международного союза электросвязи, получивших название Overview of the Internet of Things, интернет вещей предстаёт как «глобальная инфраструктура, предоставляющая сложные услуги благодаря соединению физических и виртуальных вещей на основе существующих и развивающихся функционально совместимых информационно-коммуникационных технологий». Под вещью в этом определении понимается предмет физического или виртуального мира, который может быть идентифицирован и подключён к сетям связи. Устройством в контексте IoT называется элемент оборудования, который обладает обязательными возможностями связи и может производить измерения, срабатывать при определённых условиях, вводить, хранить и обрабатывать данные.

    Типы устройств IoT и их взаимодействие. Источник: ITU-T Y.4000/Y2060

    В соответствии с рекомендациями Сектор стандартизации электросвязи Международного союза электросвязи (ITU-T) IoT представляет собой сеть устройств, тесно связанных с вещами. Сенсорные и исполнительные устройства взаимодействуют с физическими вещами в окружающей среде. Устройства сбора данных считывают информацию из физических вещей или записывают её на физические вещи, взаимодействуя с устройствами переноса данных или носителями данных, подключенными или связанными с физическим объектом.

    Другими словами, IoT — это:

    Физические/Виртуальные объекты
    +
    контроллеры/сенсоры/исполнительные механизмы
    +
    интернет

    Таким образом, физический экземпляр элемента IoT представляет собой объект, который

    • интеллектуален: имеет микроконтроллер и софт для управления;
    • может информировать или действовать: содержит датчик для измерения каких-либо физических параметров либо исполнительный механизм, работой которого можно управлять;
    • доступен по сети.

    Рекомендации Y.2060 также содержат эталонную модель IoT, которая служит основой для стандартизации. Эталонная архитектура даёт разработчикам понимание того, какие функции нужны в IoT и как они взаимодействуют.


    Эталонная модель IoT. Источник: ITU-T Y.4000/Y2060

    Разработками архитектуры IoT также занимается Всемирный форум IoT (IoT World Forum, IWF). Это ежегодное событие, в котором участвуют представители бизнеса, государств и научных кругов. Комитет по архитектуре IWF в 2014 году опубликовал свою версию эталонной модели IoT. Она хорошо дополняет вариант, предложенный ITU-T, поскольку IWF уделяет внимание не только уровням устройств и шлюза, но и верхними уровнями, более важным для разработки приложений, промежуточного софта и поддержки промышленного интернета вещей.


    Эталонная модель IoT по версии IWF. Источник: Cisco

    Каковы ключевые элементы IoT?


    Во-первых, это протоколы. Стандартные для интернета протоколы либо оказываются избыточными для IoT, либо не обеспечивают необходимых характеристик для случаев, когда требуется малое время отклика и высокая надёжность сети. Кроме того, процессоры устройств IoT, как правило, имеют невысокую производительность, чтобы сохранять энергопотребление на низком уровне. Это требует разработки сетевых протоколов, специально заточенных под использование в интернете вещей.

    Этим занимаются несколько рабочих групп в составе IETF и W3C. Например, адаптацией IPv6 для сетей узлов с ограниченными ресурсами занимается рабочая группа 6lo. Эта группа унаследовала разработки группы 6LoWPAN, которая разрабатывала методы сжатия заголовков пакетов и оптимизации обнаружения соседей. Группа 6lo ориентирована на более широкий спектр протоколов: Bluetooth Low Energy, ITU-T G.9959, DECT Ultra Low Energy, а также протокол MS/TP для сетей RS-485.

    Список других рабочих группы IETF, связанных с IoT, и того, чем они занимаются, выглядит так:

    • DICE — DTLS In Constrained Environments — профиль TLS/DTLS, пригодный для устройств с ограниченными ресурсами;
    • ACE — Authentication and Authorization for Constrained Environments — (RFC
    • 7744) — механизмы аутентификации для доступа к ресурсам в ограниченных средах;
    • COSE — CBOR Object Signing and Encryption — упрощенные аналоги CBOR
    • для методов подписания и шифрования;
    • 6TiSCH — IPv6 Over the TSCH Mode of IEEE 802.15.4e —реализация IPv6 для Time-Slotted Channel Hopping;
    • LWIG — Lightweight Implementation Guidance (RFC 7228) — общая терминология для сетей с ограниченными узлами (CoAP и IKEv2);
    • ICNRG — Information-Centric Networking — применимость технологий для сценариев IoT;
    • CFRG — Crypto Forum —фундаментальные методы шифрования, пригодные для IoT.

    Не менее важная для IoT технология — это связь пятого поколения. Реализации многих сценариев использования IoT требует модернизации сетей передачи данных до уровня 5G. Сети пятого поколения позволяют снизить задержки и могут адаптироваться под случаи применения, предполагающие множество подключений, помогают уменьшить энергопотребление и получить огромную скорость мобильной передачи данных: свыше 10 Гбит/с. При этом задержка сигнала в 5G снижается до 1 мс. Для сравнения в 4G задержка составляет 10 мс, а в 3G — 100 мс.

    Датчики находятся на нижнем уровне стека технологий, составляющих эталонную модель IoT. Они обеспечивают взаимодействие физического и виртуального мира, собирая аналоговые данные и преобразуя их в цифровую форму. Чтобы передать собранную информацию, датчики подключаются к сети и взаимодействуют с серверами и шлюзами, используя протоколы Bluetooth, NFC, RF, Wi-Fi, LoRaWAN и NB-IoT.


    Различные типы датчиков. Источник: CircuitDigest

    Сами по себе датчики лишь регистрируют физическую величину и преобразуют измеренное значение в цифровой формат для отправки на микроконтроллер, составляющий «умную» часть датчика.


    Инфракрасный датчик Toshiba 32C100U2 IR Sensor Board

    Развитие технологий позволяет делать датчики очень компактными. Например, 14-разрядный датчик ускорения BHA250, выпускаемый Bosch Sensortec имеет размеры 2,2 × 2,1 × 0,95 мм, но при этом содержит 32-битный микроконтроллер.

    Наконец, важнейшую роль играют IoT-платформы. По данным отчёта McKinsey около 40% экономической ценности IoT связано с совместимостью, то есть с тем, как устройства могут взаимодействовать друг с другом. Для раскрытия всех преимуществ интернета вещей нужны не только быстрые каналы связи и экономичные протоколы, но и стандартизация всех уровней функционирования IoT в соответствии с эталонными моделями.

    IoT-платформы частично снимают остроту этой проблемы, однако и среди них не наблюдается единства. По состоянию на середину 2017 года агентство IoT Analytics насчитало 450 компаний, предлагающих свои IoT-платформы. Это число меньше, чем список производимых в мире IoT-устройств, но более чем достаточно для того, чтобы создать проблемы совместимости.

    Что такое IoT-платформы и зачем они нужны?


    Коротко говоря, это решения, обеспечивающие унифицированное взаимодействие между конечными устройствами IoT и сервисами, обрабатывающими данные. А объяснять, почему они важны, начнём издалека.

    Исследование Cisco выявило, что 75% проектов, связанных с IoT, терпят неудачу. В опросе приняли участие более 1800 руководителей компаний и ИТ-лидеров, целью опроса было выявление основных барьеров, ограничивающих внедрение интернета вещей на предприятиях. Согласно выводам исследования, основными препятствиями для организаций, желающих внедрить IoT, становятся затраты и сроки реализации проектов. Ещё одним стоп-фактором стала ограниченность экспертных знаний штатных сотрудников.

    Устранить эти проблемы позволяет использование решений, обеспечивающих унифицированное взаимодействие между конечными устройствами IoT и сервисами, обрабатывающими данные, — тех самых IoT-платформ.

    Поясним: если в компании уже есть парк оборудования, при внедрении IoT потребуется подключить его к новой инфраструктуре. При этом какая-то часть «старых» устройств может вполне успешно выполнять свои производственные функции, но не иметь возможности подключения к интернету. Замена такого оборудования на IoT-совместимое повлечёт большие затраты. Это увеличит срок окупаемости, поскольку придётся списать вполне работоспособные станки и агрегаты.

    Но даже если оборудование совместимо с IoT, остаётся открытым вопрос с тем, какие данные необходимо собирать и использовать, как проводить углублённый анализ собранной информации и обеспечить оперативную обратную связь. IoT-платформы как раз и обеспечивают бесшовную интеграцию аппаратных средств с использованием различных типов подключения, передачу данных на подключенные устройства или между ними.

    IoT-платформы предлагают многие высокотехнологичные и ИТ-компании. Разработка компании Toshiba для интеграции IoT-устройств и сервисов получила название SPINEX. При разработке IoT-платформы SPINEX использовался обширный опыт Toshiba в энергетике, производстве полупроводниковых компонентов, а также в области интернета вещей, искусственного интеллекта, распознавания голоса и видео (то есть во всём том, о чём мы регулярно рассказываем на «Хабре»).


    Платформа SPINEX. Источник: Toshiba

    SPINEX обеспечивает единое пространство для сбора данных с подключённого оборудования, устройств и продуктов, хранение, визуализацию и анализ собранных данных. Благодаря использованию открытой архитектуры SPINEX может взаимодействовать с различными облачными провайдерами и устройствами. Платформа даёт пользователям три ключевые технологии:

    • периферийные вычисления: чтобы свести к минимуму задержки в работе сети и выполнить сложную обработку данных, SPINEX разделяет процесс на две части: базовые операции выполняются в режиме реального времени на граничных устройствах, а расширенный анализ выполняют мощные сервера в облаке инфраструктуре;
    • цифровые двойники: SPINEX использует искусственный интеллект для построения цифровых моделей реальных объектов, что позволяет более эффективно отслеживать изменения обстановки и передавать устройствам необходимые команды;
    • медиааналитика: разработанная Toshiba технология анализа медиаданных используется для высокоточной идентификации голоса и изображений.

    В 2016 году Toshiba запустила основанный на SPINEX облачный сервис IoT Standard Pack. Сервис является унифицированным решением для многих задач, связанных с интернетом вещей. Он позволяет быстро развернуть сеть IoT на предприятии за счёт использования шаблонов для сбора данных и быстрого подключения устройств к инфраструктуре IoT с использованием технологии plug-n-play.

    Насколько всё это актуально и куда движется рынок IoT?


    Иногда кажется, что дивный мир интернета вещей — не более чем фантастическая картинка. Это не так. В докладе Fortune Business Insights указывается, что мировой рынок Интернета вещей, стоимость которого в 2018 году оценивалась в 190 миллиардов долларов, достигнет к 2026 году 1,11 триллиона долларов, продемонстрировав совокупный темп роста 24,7% в год.


    Прогноз объёма рынка IoT в 2018-2026. Источник: Fortune Business Insights

    Ожидается, что крупнейшим сегментом рынка будет банковский сектор и сектор финансовых услуг.

    Аналитики Gartner сообщают, что в 2019 году количество устройств IoT достигло 14,2 млрд. Компания также прогнозирует, что к 2025 году количество подключённых устройств достигнет уровня в 25 миллиардов.


    Прогноз IDC о росте количества подключений IoT

    IDC дают ещё более оптимистичный прогноз: к 2025 году к сети интернета вещей будет каждую минуту подключаться 152 200 устройств. Умножив 152 200 на 525 600 (количество минут в году), получим, что в 2025 году интернет вещей будет содержать около 80 миллиардов устройств.

    По данным исследования IoT — The Internet of Transformation 2018, опубликованного Juniper Research, ключевыми рынками IoT остаются Северная Америка, Западная Европа, Дальний Восток и Китай. Именно эти регионы обеспечат более 60% всех доходов, связанных с интернетом вещей.
    • +10
    • 6,6k
    • 5
    Toshiba
    71,12
    Больше, чем обычные технологии. Больше, чем бизнес
    Поделиться публикацией

    Комментарии 5

      0
      Немного правок: IoT ещё может называться платформа для сбора/обработки данных с конечных устройств и для IoT не обязателен интернет, как это не странно: можно развернуть IoT в частном облаке.
        0
        Туманные вычисления

        В смысле 'облачные'?
          0
          Нет.
          Концепция предполагает обработку данных на конечных устройствах сети (компьютерах, мобильных устройствах, датчиках, смарт-узлах и т.п.), а не в облаке.
            +1

            Именно туманные. Подразумевается куча мелких устройств (капелек) "на земле" (у пользователей). В отличии от "облако в небе" (где то в ЦОД)

            0
            Туманные вычисления и аналитику сейчас предлагает каждый второй облачный сервис, и каждый топит за свою архитектуру. Сложно предугадать, кто же в итоге окажется лидером, задающим стандарты. Вот пара цитат из книги IoT Inc. на эту тему:

            IoT ecosystems are still gathering critical mass. Unlike in the smartphone industry whose ecosystems have coalesced around operating systems like iOS (platform) with the App Store (ecosystem) and Android (platform) with Google Play (ecosystem), IoT is broader. While predicting its ecosystems will form in the same way may seem logical, current evidence suggests otherwise. Unlike in the smartphone industry that only has a few ecosystems applicable to all markets, ecosystems in IoT will be more numerous and form differently based on the market segment. They will also form differently. The current state of the art indicates that ecosystems are primarily coalescing around devices in consumer IoT, around stand-alone IoT platforms (commercial, in-house, and open source) in commercial IoT, around consortia in industrial IoT, and around dominant vendors in infrastructure IoT. This, however, will likely change with maturation.

            Longer term, companies will compete within or as part of an ecosystem. In the Outcome Economy there will be three types of IoT companies. Lone wolves that only offer stand-alone IoT products, pack wolves whose IoT products are part of an ecosystem, and alpha wolves, companies that commercialize their own ecosystem and invite others to join.

            Every competitive IoT company either will be in an ecosystem or will found an ecosystem. Since each industry will only be able to support a limited number of ecosystems, and since within each of these ecosystems there will be a place for only a limited number of players within each product category, space is… well, limited, making moving first, or at least early, strategic.

            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

            Самое читаемое