Референсные модели Интернета вещей

Референсные модели
Интернета вещей
ВАСИЛИЙ КАЗАКОВ
РЭУ ИМЕНИ Г.В. ПЛЕХАНОВА
27.04.2017

Общие сведения
Референсная модель (РМ) IoT – это, фактически, предметная онтология, включающая
взаимосвязанный набор понятий, их определений и описывающая некоторую абстрактную
IoT-систему (архитектуру, процессы, принципы построения такой системы), проблемные
области Интернета вещей.
РМ IoT готовятся экспертами в проблемной области, учеными и представителями
индустрии, и условно разделяются на:
− Модели, подготовленные международными организациями;
− Национальные (государственные) модели, в т.ч. результаты исследовательских проектов;
− Результаты работы промышленных консорциумов;
− Частные модели вендоров.

Общие сведения
РМ IoT можно рассматривать на четырех уровнях:
Понятийном – абстрактные понятия, позволяют единообразно описать любую IoT-
систему безотносительно ее специфики (параметров, производителя оборудования,
моделей используемых устройств, сетевых протоколов и т.п.);
Структурном – определяется структура IoT-системы, ее элементы и связи между ними;
Процессном – могут определяться основные и служебные функции IoT-системы,
особенности потоков данных, характер и направление движения управляющих и
контрольных сообщений;
Принципиальном – устанавливаются связи между понятиями в виде ограничений и
правил, иногда описывается жизненный цикл IoT-системы, т.е. формализуются принципы
функционирования и развития IoT-системы

Назначение РМ IoT
Прежде всего однозначная трактовка терминов и облегчение коммуникации специалистов
+ обмен информацией и знаниями о проблемной области, основа для обучения
+ база для будущих исследований, разработки отдельных стандартов
+ основа для реализации Интернета вещей, создания реальных систем, способных
взаимодействовать между собой
+ основа для проектирования над-систем, обеспечивающих и управляющих систем,
определения ролей и зон ответственности, платформенных решений класса Интернета
вещей
+ «мера», используемая для сравнения N систем одного класса.

Некоторые референсные модели IoT
IEEE P2413. Standard for an Architectural Framework for the Internet of Things (IoT)
http://grouper.ieee.org/groups/2413/
ISO/IEC JTC 1
https://www.iso.org/isoiec-jtc-1.html
ITU-T STUDY GROUP 20 : Internet of things (IoT) and smart cities and communities (SC&C)
http://www.itu.int/ITU-T/recommendations/index_sg.aspx?sg=20
Special Publication (NIST SP) - 800-183 (July 28, 2016)
https://www.nist.gov/publications/networks-things
FP7. Internet of Things Architecture (IoT-A)
http://iotforum.org/wp-content/uploads/2014/09/D1.5-20130715-VERYFINAL.pdf
Industrial Internet Consortium (Industrial Internet Reference Architecture)
http://www.iiconsortium.org/
The Intel IoT Platform (Architecture Specification White Paper Internet of Things)
http://www.intel.ru/content/www/ru/ru/internet-of-things/iot-platform-solution-brief.html
Microsoft Azure IoT Reference Architecture
https://azure.microsoft.com/en-us/updates/microsoft-azure-iot-reference-architecture-available/
IoT Reference Model Whitepaper (CISCO)
https://www.iotwf.com/resources/71

Standard for an Architectural Framework
for the Internet of Things (IoT)
В работе. Проект P2413 ведется в Institute of Electrical and Electronics Engineers с 2014 года.
Следующая встреча - 27-30 марта 2017, Las Vegas, NV, USA.
В составе рабочей группы: CISCO, Intel, ZTE, Deutsche Telekom, NIST, IBM, Huawei,
Qualcomm Inc., Siemens AG, Kaspersky Lab и др.
Следует требованиям стандарта ISO/IEC/IEEE 42010 Systems and software engineering -
Architecture description (2011)
Предлагается архитектурный подход к построению Интернета вещей: определяются
различные предметные области (домены) IoT, абстракции и их определения, определяются
общие элементы. Референсная архитектура может использоваться при построении
решений как внутри домена, так и кросс-доменных решений, способствует повышению
интероперабельности и портирования, переносимости, решений между доменами.
Разрабатываются концепции работы с данными и обеспечения надежности и безопасности
в рамках Интернета вещей.

Standard for an Architectural Framework
for the Internet of Things (IoT)

Референсная архитектура IoT
ISO/IEC JTC 1
Технический комитет в области информационных технологий функционирует с 1987 года.
Рабочая группа по IoT создана в 2012 году. В 2014 году был подготовлен предварительный отчет
«Internet of Things» (с приложениями).
Официальный статус WG 10 получила в 2015 году. В мае 2017 года планируется создание
подкомитета JTC 1/SC 41 «Интернет вещей и связанные технологии».
Основной стандарт:
ISO/IEC CD 30141 – Internet of Things Reference Architecture. В работе. Драфт ожидается к
октябрю 2017 года (архитектурные уровни, свойства, концептуальная и референсная модели
IoT-систем)
Связанные стандарты:
ISO/IEC CD 20924 – Information technology -- Internet of Things (IoT) -- Definition and vocabulary.
ISO/IEC AWI 21823-1, 21823-2, 21823-3 – Interoperability for Internet of Things Systems – Part 1.
Framework, Part 2. Network connectivity, Part 3. Semantic interoperability (обеспечение обмена
информацией между IoT-системами и бесшовного взаимодействия между элементами IoT-
систем)
ISO/IEC PDTR 22417. Information technology - Internet of things (IoT) use case

ISO/IEC JTC 1
Предварительный анализ был
посвящен определению
потребностей, рассмотрению
существующих стандартов
(>400 ссылок) и архитектур.
Интернет вещей – это
инфраструктура, создаваемая
для обеспечения работы
взаимосвязанных объектов,
людей, систем и
информационных ресурсов
вместе с интеллектуальными
сервисам, направленной на
обработку информации о
реальном и виртуальном
мирах и последующие
действия.

ISO/IEC JTC 1
Определены требования к референсной
архитектуре, которые использовались для
сравнения различных моделей:
1. Regulation Compliance
2. Autonomous Functionality
3. Auto-configuration
4. Scalability
5. Discoverability
6. Heterogeneity.
7. Unique Identification
8. Usability
поддержка Plug and Play - обеспечение генерации,
компоновки или получения семантических
описаний конфигураций «на лету» для бесшовной
интеграции и взаимодействия связанных
компонентов с приложениями, реагирования на
требования приложений
9. Standardized Interfaces
10. Well Defined Components
11. Network Connectivity
12. Timeliness
13. Time-Awareness
14. Location-Awareness
15. Context-Awareness
16. Content-Awareness
17. Modularity
18. Reliability
19. Security
20. Confidentiality and Privacy
21. Legacy Components
22. Manageability
23. Risk management

Рекомендации International
Telecommunication Union
Ряд рекомендательных документов была подготовлен c 2012 года ITU (МСЭ) в рамках серии
«Global information infrastructure, Internet protocol aspects and next-generation networks». В
2015 году образована группа ITU-T SG20 «IoT and smart cities and communities (SC&C)»
Документы (>30)
Y.4000 : Overview of the Internet of things (включает эталонную модель IoT, примеры
экосистем и бизнес-моделей)
Y.4050 : Terms and definitions for the Internet of things (включает понятия и определения)
Y.4001 : Machine socialization: Overview and reference model
Y.4100 : Common requirements of the Internet of things
Y.4400 : Framework of the web of things (WoT – способ организации IoT, в рамках которого
вещи связываются и управляются через www)
Y.4401 : Functional framework and capabilities of the Internet of things
F.748.0 : Common requirements for Internet of things (IoT) applications
H.623 : Web of things service architecture
…

IoT =
(1) концепция, имеющая
технологические и социальные
последствия,
(2) глобальная инфраструктура для
информационного общества, которая
обеспечивает возможность
предоставления более сложных услуг
путем соединения друг с другом вещей
(физических и виртуальных) на основе
существующих и развивающихся
функционально совместимых
информационно-коммуникационных
технологий.

Взаимодействия происходят и в
информационном мире (обмен данными
между виртуальными вещами) и между
физическим миром и информационном
миром (обмен данными между физическими
вещами и виртуальными вещами)
Станок, бытовой
электроприбор,
смартфон

Общие возможности поддержки могут
использоваться различными приложениями IoT,
например, обработка или хранение данных.
Возможности организации сетей включают,
например, функции управления сетевыми
соединениями, аутентификацию и авторизацию.
Возможности «транспортирования» используются
для передачи данных, относящихся к услугам и
приложениям IoT, а также контрольной и
управляющей информации, относящейся к IoT.
Возможности устройств включают, например,
способность собирать информацию из сети напрямую
или с помощью шлюза, поддержку механизмов «сна»
и «пробуждения» для экономии энергии.
Возможности шлюза в основном группируются вокруг
поддержки нескольких интерфейсов и
преобразований протоколов для обеспечения
взаимодействии «сеть»-«устройство» и «устройство»-
«устройство».
РЕФЕРЕНСНАЯ МОДЕЛЬ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ

Представлен целостный подход к определению свойств Интернета вещей.
Одной из характеристик IoT является гетерогенность. В IoT устройства являются
гетерогенными и базируются на различных аппаратных платформах и сетях. Они могут
взаимодействовать с другими устройствами или платформами услуг через различные сети.
Соответствующим высокоуровневым требованием к IoT является функциональная
совместимость. Должна обеспечиваться функциональная совместимость гетерогенных и
распределенных систем в целях предоставления и потребления самых разных видов
информации и услуг.
Этому требованию соответствует набор способностей: управление моделями данных для
обмена данными устройств; управление конфигурацией устройства; управление
конфигурацией сети и др.

Рассматриваются различные аспекты IoT –
от описания бизнес-моделей до требований к
отдельным элементам IoT-систем, организации
М2М-систем, WoT-систем, метрики и т.д.

NIST Special Publication 800-183
Публикация «Networks of «Things»
Национального института стандартов
и технологии Министерства торговли
США вышла в разделе COMPUTER
SECURITY в июле 2016 года.
Введено понятие «Network of
«Things» - вид распределенных
систем.
IoT, сети соц.медиа, сети сенсоров,
Промышленный Интернет
рассматриваются как виды NoT.
«Вещами» может являться
программное обеспечение, «железо»,
их комбинация и человек.

NIST Special Publication 800-183
Выделены и описаны характеристики пяти ключевых примитивов:
сенсор, агрегатор, канал связи, внешняя утилита и триггер решения.
В модель также внесены шесть элементов:
среда, затраты, местоположение, владелец (оператор), Device_ID (для любого примтива),
и момент времени (снэпшот).
Дополнительные соображения:
◦ Система может быть открытой, закрытой или иметь промежуточное состояние.
◦ Необходимость использования шаблонов проектирования для построения крупных систем.
◦ Уровень доверия к системе в некоторый момент времени – функция от реализации примитивов
с учетом основных элементов.
◦ Низкая вероятность обнаружения ошибок в системе во время тестирования.
◦ Учет механизмов и особенностей воздействия на внешнюю среду.
В публикации затрагиваются вопросы безопасности и надежности.

FP7. IoT-A
Пятисотстраничный документ подготовлен в ходе реализации проекта в рамках 7-й
рамочной программы Европейского Союза (2007-2013). Опубликован в 2014 году.
В проекте принимали участие представители академического сообщества (GB, DE, IT, CH),
органов государственной власти (FR) и промышленности (Siemens, SAP, Hitachi, IBM и др).
Стал отправной точкой для новых проектов в рамках 8-й рамочной программы
Европейского Союза Horizon 2020
В документе представлены референсная модель IoT, референсная архитектура, а также
руководство по применению этой модели, в том числе, для построения реальных систем.

FP7. IoT-A
Концептуальная модель
Информационная модель

FP7. IoT-A
Функциональное
представление
референсной
архитектуры

Industrial Internet of Things
Reference Architecture
Консорциум промышленного интернета
объединяет свыше 100 компаний.
В январе 2017 года вышла версия 1.8
документа The Industrial Internet of
Things. Volume G1: Reference
Architecture. Также были опубликованы
INDUSTRIAL INTERNET SECURITY
FRAMEWORK, и INDUSTRIAL INTERNET
CONECTIVITY FRAMEWORK
Среди авторов референсной
архитектуры представители SAP, IBM,
Intel, Fujitsu, General Electric, Oracle
Референсная архитектура IIC
(также как и IEEE) построена с
использованием ISO/IEC/IEEE 42010:2011

В рамках предложенного подхода предлагается учитывать как различные точки зрения, так и
специфику областей применения IIOT-системы, процессы жизненного цикла системы

Основные концепты бизнес-уровня и уровня использования

Функциональные домены, общесистемные характеристики и сквозные функции

В референсной
архитектуре
представлено три
паттерна реализации
IIoT-системы.
Трехуровневый
Соединение и
управление
устройствами при
помощи шлюза
Многослойная шина
данных

Референсная модель IoT - CISCO
В ноябре 2014 года опубликован отчет
«IoT Reference Model», в котором
представлен общий подход к
организации IoT-систем, выделены
уровни Интернета вещей.
В модели определяются типы
выполняемых работ в разных частях
системы, на каждом уровне, но не
определены ни локализация, ни
количество элементов, которые должны
выполнять тот или иной тип работы, ни
конкретный способ реализации.

Первый уровень включает разнообразные физические устройства (сенсоры, датчики, машины
и агрегаты и др.) и контроллеры, которые могут управлять устройствами. Устройства
отправляют данные в режиме реального времени на верхние уровни, принимают запросы с
верхних уровней и обмениваются данными с другими устройствами.
Второй уровень включает устройства, модели и протоколы, которые обеспечивают
коммуникацию (1) между устройствами уровня 1 и сетью, (2) по горизонтали (между
устройствами уровня 1) и (3) по вертикали между сетью и уровнем 3 на базе существующих
сетей передачи данных.
IoT-система содержит дополнительные уровни в 7-уровневой референсной модели ISO/OSI и
должна обеспечивать надежную передачу данных по всей сети, имплементировать
различные протоколы и обеспечивать трансляцию между протоколами, обеспечивать
подключение новых устройств и маршрутизацию, безопасность на сетевом уровне.
Важным для поддержки функционирования и развития непрерывно расширяющейся сети
является наличие сетевых аналитик.

Базовый принцип референсной модели - начать процесс обработки информации как
можно раньше и выполнять его как можно ближе к конечным устройствам – «туманные»
вычисления.
Задача третьего уровня – трансформация потоков данных в сети в информацию,
пригодную для хранения и обработки на четвертом уровне.
Обработка данных на третьем уровне ведется последовательно, пакет за пакетом, в
реальном времени и может преследовать следующие цели:
◦ предварительный отбор данных в соответствии с установленными критериями для дальнейшей
обработки на верхних уровнях;
◦ переформатирование данных, расширение данных или их декодирование;
◦ очистка или предварительная агрегация данных с целью уменьшения трафика;
◦ оценка данных на предмет выявления отклонений или опасности, а также перенаправление таких
данных в случае необходимости, генерация событий.

На четвертом уровне происходит изменение модели управления данными. Если ранее
данные были «в движении», то на четвертом уровне данные переводятся в состояние
«покоя» для их дальнейшего анализа и обработки приложениями (по запросу). Для этого
необходимо:
◦ определить отвечают ли поступающие данные специфическим потребностям верхних уровней,
◦ должны ли они сохраняться и какой тип хранилища требуют эти данные,
◦ организованы ли они надлежащим образом,
◦ должны ли они быть реструктурированы или объединены с уже имеющейся информацией.
В результате фильтрации и выборочного хранения объем данных существенно
сокращается по сравнению с начальным уровнем
На пятом уровне неочищенные и, возможно, территориально распределенные данные
разных форматов и содержания подготавливаются к использованию в приложениях.

Шестой уровень, уровень приложений, при надлежащим образом спроектированных
первых пяти уровнях имеет меньшую нагрузку за счет сокращения числа решаемых задач
и работы со стабилизированными данными, данными «в покое».
В референсной модели задачи пятого уровня не определяются
На седьмом уровне устанавливаются взаимодействия людей и приложений в рамках
выполняемых бизнес-процессов для достижения поставленных целей, получения
дополнительной ценности.
Вопросы безопасности рассматриваются в рамках (1) каждого устройства или системы, (2)
каждого процесса на каждом уровне, (3) перемещения данных между уровнями как сверху
вниз, так и снизу вверх.

Референсные модели Интернета вещей

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (6)

Similar to Референсные модели Интернета вещей

Similar to Референсные модели Интернета вещей (20)

Референсные модели Интернета вещей