3.9. Интернет вещей (IoT)
Интернет вещей (англ. Internet of Things, IoT) — концепция вычислительной сети физических предметов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой. Обычный Интернет (сеть сетей) дал возможность людям всего мира взаимодействовать с информацией и сервисами. Большая часть этих взаимодей- ствийпроисходитчерезWWW-браузеры,работающиенаклиентскихкомпью- терах.ИнтернетвещейрасширяетобычныйWWWпосредствомподключения кВсемирнойсетиширокогокругапрограммно-аппаратныхкомплексовиэлек- тронных устройств. Его иногда даже называют «Физической Всемирной паутиной» (Physical Web). Вместе с тем, необходимо отметить, что более точно суть концепции объединения многих объектов передает термин «сеть вещей», а не «интернет вещей»; и вот, почему. Суть интернета вещей описывает формула: «Физические объекты + контроллеры,сенсоры,исполнительныемеханизмы+Интернет(илидругаясреда передачи) = IoT. И здесь внимание следует обратить на то, что использование в качестве среды передачи Интернета не обязательно. Например, инсталляция «умного дома» может состоять из набора вещей в доме, обменивающихся информацией поWi-Fi или Bluetooth с центральным контроллером; или на предприятии интернет вещей может поддерживать корпоративные приложения, которые будут взаимодействовать со средой и запускать приложения, исполь-
зующие интернет вещей. В этих примерах удаленный доступ по Интернету обычно имеется, но его может и не быть. Развитиюивнедрениюинтернетавещейспособствоваланетолькоэволюция Интернета, но и множество других факторов: широкое распространение смартфонов, беспроводных сетей, удешевление электронных компонентов и средств обработки данных, освоение облачных вычислений и программ- но-конфигурируемых сетей. IoTсоединяетвкомпьютернуюсетьобъекты(«вещи»),которыеобмениваются информацией между собой и работают в режиме реального времени без вмешательства человека. В состав «вещей» входит множество предметов— от бытовой техники до крошечных датчиков. Технологии, используемые для взаимодействия между устройствамисбораданныхиустройствамипереносаданныхилиносителями данных, включают радиочастотное, инфракрасное, оптическое и гальваническое возбуждение. Интернет вещей разделяют на потребительский и промышленный сегмент. С позиций технической реализации IoTназначение «вещей» не так важно, как знание их отличительных особенностей, таких как ширина полосы пропускания, периодичность сбора данных и т.п. Сети, обеспечивающие соединение между собой миллиардов промышленных и бытовых предметов, должны строиться в соответствии с рекомендациями международных организаций. Рис. 77. Эталонная модель IoTпо Рекомендации МСЭ (Y.2060)
На рис.77 изображена эталонная модель IoT от МСЭ-Т, состоящая из четырех горизонтальных уровней и одного вертикального, характеризующего возможности управления и безопасности, действующие между уровнями. Сравним эту модель с моделью OSI (рис.30). Уровень устройства соответствует физический и канальный уровни модели OSI. Уровень сети выполняет две базовых функции, соответствующие сетевому и транспортному уровням модели OSI. Уровень поддержки услуг и поддержки приложений предоставляет общие возможности поддержки (например, обработку данных и управление БД) и специализированные возможности, к которым относится то, что касается функциональности конкретных приложений IoT. Рассмотренная модель IoT, разработанная МСЭ, в 2014 г. была детализированаВсемирнымфорумомIoT(IoTWorldForum)посредствомвведениявее состав дополнительных слоев, в частности, уровня туманных вычислений Туманные вычисления и туманные службы, как ожидается, станут отличительной характеристикой IoT(рис.78). Туманныевычисленияпредставляютвсовременныхсетевыхтехнологиях тренд, противоположный облачным вычислениям. В облачных вычислениях большойобъемцентрализованныхресурсовхраненияиобработкиданныхдоступен распределенным потребителям посредством облачных сетевых структур для относительно небольшого числа пользователей. В туманных вычислениях большое число отдельных интеллектуальных объектов осуществляют связь с туманными сетевыми структурами, которые осуществляют вычисления и хранят ресурсы рядом с периферийными устройствами в IoT. Туманные вычисления, по мнению специалистов, способны решать проблемы, возникающие вследствие деятельности тысяч и даже миллионов «умных» устройств, включая проблемы безопасности, конфиденциальности, ограниченных возможностей сети и задержки. IoTпредставляет собой совокупность множества технологий и множества вариантов построения сетей для передачи данных, начиная от сети на теле человека BAN (BodyArea Network), которая работает на расстоянии в несколько десятков сантиметров, вплоть до сетейWAN. Все технологии передачи данных в интернете вещей в зависимости от используемой среды передачи можно разделить на два больших класса: проводные и беспроводные. Проводные технологии передачи данных в IoT могут использовать металлический (медный) кабель связи, электропроводку (технология PLC — Power Line Communication) или волоконно-оптический кабель. Однако ввиду сложностей физической реализации линий связи проводные технологии для коммуникаций интернет-вещей применяются в меньшей степени, чем беспроводные. Коммуникации большого радиуса действия реализуются в IoT на базе различных сотовых сетей (2G/3G/4G), сетей беспроводного широкополосного доступа WiMAX, сетей позиционирования GPS/ГЛОНАСС и др. Коммуника-
циималойдальностииспользуюттакиетехнологии,какRFID,NFC,Bluetooth, Wi-Fi и др. Рис.78. Туманные вычисления в архитектуре сети IoT Беспроводные сети малого радиуса действия, используемые в IoT, можно разделить на три вида. Беспроводные персональные сети WPAN (Wireless Personal Area Network) (рис.79). Применяются для связи различных устройств, включая компьютерную, бытовую и оргтехнику, средства связи и т.д. Радиус действия WPAN составляет от нескольких метров до нескольких десятков сантиметров. Такие сети используются как для объединения отдельных устройств между собой, так и для связи их с сетями более высокого уровня, например, глобальной сетью Интернет. МалыелокальныесетиTAN(TinyAreaNetwork) (рис.80).Вычислительные сети, развертываемые в пределах небольшого офиса или отдельного жилища. Их часто называют домашними сетями, так как они объединяют компьютеры,
бытовую электронику и приборы сигнализации, принадлежащие одной семье. Наиболее часто такие сети строятся на базе технологииWi-Fi. Рис.79. Беспроводные персональные сетиWPAN Рис.80. Малые локальные сетиTAN Беспроводные сенсорные сети WSN (Wireless Sensor Network) (рис.81). представляют собой самоорганизующиеся многоточечные сети; они состоят из множества (до десятков тысяч) распределенных в пространстве беспроводных сенсорных узлов, предназначенных для мониторинга характеристик окружающей среды или объектов, расположенных в ней. Ресурсы сенсорных узлов ограничены с точки зрения возможностей обработки информации, пропускной способности, объема памяти, вычисли-
тельных возможностей, что существенно отличает беспроводные сенсорные сети от других сетей Область покрытия подобных сетей может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счет способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому. Данные от отдельных узлов передаются по сети от узла к узлу (отсюда название «многоточечные сети»), пока не попадут на «суперузел», или сервер, имеющий более высокую вычислительную мощность. Рис. 81. Беспроводные сенсорные сетиWSN Интерфейсом, соединяющим сенсорную сеть с внешним миром, является базовая станция (БС), также известная как шлюз (Gateway) или приемник (Sink). Вопросы для самопроверки к подразделу 3.9 1. Как соотносятся между собой обычный интернет и интернет вещей? 2. Что способствовало развитию интернета вещей? 3. Назовите разновидности «вещей», которые подключаются к интернету вещей. 4. Сравните модель IoT, разработанную МСЭ, и модель OSI. 5. Какое существенное изменение в модель IoT внес Всемирный форум IoTв 2014 г.? 6. Какую роль туманные вычисления выполняют в технологии IoT? 7. CпомощьюкакихтехнологийвIoTреализуютсякоммуникациибольшого радиуса действия? 8. C помощью каких технологий в IoT реализуются коммуникации малой дальности?
Что такое интернет вещей и где этому научиться?
Термин «интернет вещей» впервые прозвучал в 1999 году: изобретатель Кевин Эштон обозначил этими словами мир, в котором человек перестанет быть «устройством ввода» для информации, распространяемой через интернет, уступив эту роль электронике.
В данный момент тяжело дать четкое определение термину «Интернет вещей», т.к. происходит процесс стандартизации Интернета вещей и киберфизических систем. В начале июня Российский Технический комитет 194 «Кибер-физические системы», созданный на базе РВК, получил право разработки первого международного стандарта ISO/IEC по терминологии в области Интернета вещей на русском языке.
Если говорить простым языком то, под Интернетом вещей в данным момент (англ. Internet of Things, IoT) понимают концепцию вычислительной сети физических предметов (вещей), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой, рассматривающая организацию таких сетей как явление, способное перестроить экономические и общественные процессы, исключающее из части действий и операций необходимость участия человека.
В данный момент в некоторых университетах читаются отдельные курсы по технологиям Интернет вещей, только начинают организовываться лаборатории, занимающиеся научно-учебной деятельностью в области Интернета вещей.
НИУ ВШЭ в 2018 году открывает целостную магистерскую программу по подготовке специалистов в области Интернета вещей, которые обладают компетенциями в области проектирования, анализа, разработки, развертывания и управления ситемами и сервисами Интернета вещей для современных организаций и предприятий в таких сферах как: «умный дом», «умный город», «умное производство».
Программа реализуется ведущим научным и профессорско-преподавательским составом МИЭМ НИУ ВШЭ с привлечением ведущих практиков компаний-партнеров в области Интернета вещей и киберфизических систем для чтения лекций и проведения практических занятий с использованием программно-аппаратного оборудования и программного обеспечения компаний-партнеров программы, таких как National Instruments, Infowatch, IBM, Samsung, Rightech, PTC, PTS, АО “Глонасс” и др.
Разнообразие используемых в образовательном процессе программно-аппаратных комплексов и сервисов позволяет нам подготовить специалистов, которые обладают фундаментальными знаниями в области Интернета вещей и опытом работы с множеством различных продуктов различных вендоров. Отказ от затачивания специалистов под конкретные технологии конкретных вендоров позволяет нам повысить качество образования и уровень выпускников магистерской программы.
Выпускники магистерской программы представляют собой молодых специалистов, инженеров, научных сотрудников и руководителей новых структурных подразделений, специализирующихся на технологиях Интернета вещей и киберфизических систем, промышленных и научно-исследовательских предприятий, имеющих передовой практический опыт использования и внедрения технологий Интернета вещей и киберфизических систем в промышленности и корпоративном сегменте экономики.