лекция. Lektsii_ПКТ. Конспект лекций по дисциплине прикладные компьютерные технологии Направление подготовки 09. 03. 01 Информатика и вычислительная техника
 Скачать 7.93 Mb.
|
|
Инструмент Hbase Hbase — мощное средство для хранения и обновления данных в экосистеме hadoop. Hbase зародилась из концепции, которая была разработана в компании Google. Обычные файлы довольно неплохо подходят для пакетной обработки данных, с использованием парадигмы MapReduce. С другой стороны информацию хранящуюся в файлах довольно неудобно обновлять и файлы также лишены возможности произвольного доступа. Для быстрой и удобной работы с произвольным доступом есть класс nosql-систем типа key-value storage, таких как Aerospike, Redis, Couchbase, Memcached. Однако обычно в этих системах очень неудобна пакетная обработка данных. Hbase представляет из себя попытку объединения удобства пакетной обработки и удобства обновления и произвольного доступа. Hbase — это распределенная, колоночно-ориентированная, мультиверсионная база типа «ключ-значение». Данные организованы в таблицы, проиндексированные первичным ключом, который в Hbase называется RowKey. Для каждого RowKey ключа может храниться неограниченны набор атрибутов (или колонок). Колонки организованны в группы колонок, называемые Column Family. Как правило, в одну Column Family объединяют колонки, для которых одинаковы паттерн использования и хранения. Для каждого аттрибута может храниться несколько различных версий. Разные версии имеют разный timestamp. Записи физически хранятся в отсортированном по RowKey порядке. При этом данные соответствующие разным Column Family хранятся отдельно, что позволяет при необходимости читать данные только из нужного семейства колонок. При удалении определённого атрибута физически он сразу не удаляется, а лишь маркируется специальным флажком tombstone. Физическое удаление данных произойдет позже, при выполнении операции Major Compaction. Атрибуты, принадлежащие одной группе колонок и соответствующие одному ключу физически хранятся как отсортированный список. Любой атрибут может отсутствовать или присутствовать для каждого ключа, при этом если атрибут отсутствует — это не вызывает накладных расходов на хранение пустых значений. С  писок и названия групп колонок фиксирован и имеет четкую схему. На уровне группы колонок задаются такие параметры как time to live (TTL) и максимальное количество хранимых версий. Если разница между timestamp для определенно версии и текущим временем больше TTL — запись помечается к удалению. Если количество версий для определённого атрибута превысило максимальное количество версий — запись также помечается к удалению.Модель данных Hbase можно запомнить как соответствие ключ значение: Список поддерживаемых операций в hbase весьма прост. Поддерживаются 4 основные операции: Put: добавить новую запись в hbase. Timestamp этой записи может быть задан руками, в противном случае он будет установлен автоматически как текущее время. Get: получить данные по определенному RowKey. Можно указать Column Family, из которой будем брать данные и количество версий которые хотим прочитать. Scan: читать записи по очереди. Можно указать запись с которой начинаем читать, запись до которой читать, количество записей которые необходимо считать, Column Family из которой будет производиться чтение и максимальное количество версий для каждой записи. Delete: пометить определенную версию к удалению. Физического удаления при этом не произойдет, оно будет отложено до следующего Major Compaction. Hbase является распределенной базой данных, которая может работать на десятках и сотнях физических серверов, обеспечивая бесперебойную работу даже при выходе из строя некоторых из них. Поэтому архитектура hbase довольна сложна по сравнению с классическими реляционными базами данных. Hbase для своей работы использует два основных процесса: R  egion Server — обслуживает один или несколько регионов. Регион — это диапазон записей соответствующих определенному диапазону подряд идущих RowKey. Каждый регион содержит:Persistent Storage — основное хранилище данных в Hbase. Данные физически хранятся на HDFS, в специальном формате HFile. Данные в HFile хранятся в отсортированном по RowKey порядке. Одной паре (регион, column family) соответствует как минимум один HFIle. MemStore — буфер на запись. Так как данные хранятся в HFile d отсортированном порядке — обновлять HFile на каждую запись довольно дорого. Вместо этого данные при записи попадают в специальную область памяти MemStore, где накапливаются некоторое время. При наполнении MemStore до некоторого критического значения данные записываются в новый HFile. BlockCache — кэш на чтение. Позволяет существенно экономить время на данных которые читаются часто. Write Ahead Log(WAL). Так как данные при записи попадают в memstore, существует некоторый риск потери данных из-за сбоя. Для того чтобы этого не произошло все операции перед собственно осуществление манипуляций попадают в специальный лог-файл. Это позволяет восстановить данные после любого сбоя. Master Server — главный сервер в кластере hbase. Master управляет распределением регионов по Region Server’ам, ведет реестр регионов, управляет запусками регулярных задач и делает другую полезную работу. Для координации действий между сервисами Hbase использует Apache ZooKeeper, специальный сервис предназначенный для управления конфигурациями и синхронизацией сервисов. При увеличении количества данных в регионе и достижении им определенного размера Hbase запускает split, операцию разбивающую регион на 2. Для того чтобы избежать постоянных делений регионов — можно заранее задать границы регионов и увеличить их максимальный размер. Так как данные по одному региону могут храниться в нескольких HFile, для ускорения работы Hbase периодически их сливает воедино. Эта операция в Hbase называется compaction. Compaction’ы бывают двух видов: Minor Compaction. Запускается автоматически, выполняется в фоновом режиме. Имеет низкий приоритет по сравнению с другими операциями Hbase. Major Compaction. Запускается руками или по наступлению срабатыванию определенных триггеров(например по таймеру). Имеет высокий приоритет и может существенно замедлить работу кластера. Major Compaction’ы лучше делать во время когда нагрузка на кластер небольшая. Во время Major Compaction также происходит физическое удаление данных, ране помеченных меткой tombstone. Hbase довольно сложна в администрировании и использовании, поэтому прежде чем использовать hbase есть смысл обратить внимание на альтернативы: Реляционные базы данных. Очень неплохая альтернатива, особенно в случае когда данные влезают на одну машину. Также в первую очередь о реляционных базах данных стоит подумать в случае когда важны транзакции индексы отличные от первичного. Key-Value хранилища. Такие хранилища как Redis и Aerospike лучше подходят когда необходима минимизация latency и менее важна пакетная обработка данных. Файлы и их обработка при помощи MapReduce. Если данные только добавляются, и редко обновляются/изменяются, то лучше не использовать Hbase, а просто хранить данные в файлах. Для упрощения работы с файлами можно воспользоваться такими инструментами как Hive, Pig и Impala, о которых речь пойдет в следующих статьях. Использование Hbase оправдано когда: Данных много и они не влезают на один компьютер Данные часто обновляются и удаляются В данных присутствует явный «ключ» по к которому удобно привязывать все остальное Нужна пакетная обработка данных Нужен произвольный доступ к данным по определенным ключам Лекция №5 Введение в понятие и направление Интернет-вещей. Архитектуры и методы коммуникаций. Общие положения Интернет вещей В связи с бурным развитием сетей с пакетной коммутацией и прежде всего Интернета в начале 2000-х годов мировое телекоммуникационное сообщество сначала выработало, а затем и приступило к реализации новой парадигмы развития коммуникаций – сетей следующего поколения NGN (Next Generation Networks). Технологии NGN уже прошли эволюционный путь развития от гибких коммутаторов (Softswitch) до подсистем мультимедийной связи IMS (IP Multimedia Subsystem) и беспроводных сетей долговременной эволюции LTE (Long Term Evolution). При этом всегда предполагалось, что основными пользователями сетей NGN будут люди и, следовательно, максимальное число абонентов в таких сетях всегда будет ограничено численностью населения планеты Земля. Однако в последнее время значительное развитие получили методы радиочастотной идентификации RFID (Radio Frequency IDentification), беспроводные сенсорные сети WSN (Wireless Sensor Network), коммуникации малого радиуса действия NFC (Near Field Communication) и межмашинные коммуникации М2М (Machine-to-Machine), которые, интегрируясь с интернет, позволяют обеспечить простую связь различных технических устройств («вещей»), число которых может быть огромным. По расчетам консалтингового подразделения Cisco IBSG в промежутке между 2008 и 2009 годами количество подключенных к интернету предметов превысило количество людей. Таким образом, в настоящее время происходит эволюционный переход от «Интернета людей» к «Интернету вещей», IoT (Internet of Things). В общем случае под Интернетом вещей понимается совокупность разнообразных приборов, датчиков, устройств, объединѐнных в сеть посредством любых доступных каналов связи, использующих различные протоколы взаимодействия между собой и единственный протокол доступа к глобальной сети. В роли глобальной сети для Интернет-вещей в настоящий момент используется сеть Интернет. Общим протоколом является IP. Следует особо отметить, что Интернет вещей не исключает участие человека. IoT не полностью автоматизирует вещи, так как он ориентирован на человека и предоставляет ему возможность доступа к вещам. Но многие вещи смогут вести себя иначе, чем мы представляем себе сегодня. В IoT каждая вещь имеет свой уникальный идентификатор, которые совместно образуют континуум вещей, способных взаимодействовать друг с другом, создавая временные или постоянные сети. Так вещи могут принимать участие в процессе их перемещения, делясь сведениями о текущей геопозиции, что позволяет полностью автоматизировать процесс логистики, а имея встроенный интеллект, вещи могут менять свои свойства и адаптироваться к окружающей среде, в том числе для уменьшения энергопотребления. Они могут обнаруживать другие, так или иначе связанные с ними вещи, и налаживать с ними взаимодействие. IoT позволяет создавать комбинацию из интеллектуальных устройств, объединенных сетями связи, и людей. Совместно они могут создавать самые разнообразные системы, например, для работы в средах, неудобных или недоступных для человека (в космосе, на большой глубине, на ядерных установках, в трубопроводах и т.п.). Считается, что первую в мире интернет-вещь создал один из отцов протокола TCP/IP Джон Ромки в 1990 году, когда он подключил к сети свой тостер. Но только в 21 веке в связи с бурным развитием инфокоммуникационных технологий сформировалась концепция IoT и получила свое практическое воплощение. Процесс развития Интернета вещей проиллюстрирован технологической дорожной картой, приведенной на рис.  Все началось с необходимости оптимизации системы логистики и управления системой снабжения предприятий. Вторая волна инноваций была обусловлена необходимостью сокращения затрат в системах наблюдения, безопасности, транспорта и др. Третья была вызвана потребностью в геолокационных сервисах. Четвертая волна будет обусловлена необходимостью дистанционного присутствия человека на месте совершения требующего его внимания событий, которое станет возможным благодаря миниатюрным встроенным процессорам. А следующим шагом будет возможность создания будущих сетей (Future Networks) с ячеистой топологией, включающих в себя метки, датчики, средства измерения и управляющие устройства. С развитием Интернета вещей все больше предметов будут подключаться к глобальной сети, тем самым создавая новые возможности в сфере безопасности, аналитики и управления, открывая все новые и более широкие перспективы и способствуя повышению качества жизни населения. Предполагается, что в будущем «вещи» станут активными участниками бизнеса, информационных и социальных процессов, где они смогут взаимодействовать и общаться между собой, обмениваясь информацией об окружающей среде, реагируя и влияя на процессы, происходящие в окружающем мире, без вмешательства человека. Базовые принципы IoT Интернет вещей основывается на трех базовых принципах. Во-первых, повсеместно распространенную коммуникационную инфраструктуру, во-вторых, глобальную идентификацию каждого объекта и, в-третьих, возможность каждого объекта отправлять и получать данные посредством персональной сети или сети Интернет, к которой он подключен. Наиболее важными отличиями Интернета вещей от существующего интернета людей являются: фокус на вещах, а не на человеке; существенно большее число подключенных объектов; существенно меньшие размеры объектов и невысокие скорости передачи данных; фокус на считывании информации, а не на коммуникациях; необходимость создания новой инфраструктуры и альтернативных стандартов. Концепция сетей следующего поколения NGN предполагала возможность коммуникаций людей (непосредственно или через компьютеры) в любое время и в любой точке пространства. Концепция Интернета вещей включает еще одно направление – коммуникация любых устройств или вещей (см. рис. ниже) О  фициальное определение Интернета вещей приведено в Рекомендации МСЭ-Т Y.2060, согласно которому IoT – глобальная инфраструктура информационного общества, обеспечивающая передовые услуги за счет организации связи между вещами (физическими или виртуальными) на основе существующих и развивающихся совместимых информационных и коммуникационных технологий. Под «вещами» (things) здесь понимается физический объект (физическая вещь) или объект виртуального (информационного) мира (виртуальная вещь, например мультимедийный контент или прикладная программа), которые могут быть идентифицированы и объединены через коммуникационные сети. Кроме понятия «вещь», МСЭ-Т также использует понятие «устройство» (device), под которым понимается часть оборудования с обязательными возможностями по коммуникации и необязательными возможностями по сенсорингу/зондированию, приведению в действие вещи, сбору, обработке и хранению данных. Отсюда следует, что МСЭ-Т в большей степени уделяет вниманию аспектам коммуникаций и межсоединений, нежели приложениям IoT. Схема отображения физических и виртуальных вещей представлена на рис.  Из рисунка следует, что виртуальные вещи могут существовать без их физических воплощений, в то время как физическим объектам/вещам обязательно соответствует минимум один виртуальный объект. При этом ведущую роль играют именно устройства, которые могут собирать различную информацию и распространять еѐ по коммуникационным сетям различными способами: через шлюзы и через сеть; без шлюзов, но через сеть; напрямую между собой. Рекомендация Y.2060 описывает различное сочетание перечисленных способов соединений. Это указывает на то, что МСЭ-Т предусматривает использование для IoT множества сетевых технологий – глобальных сетей, локальных сетей, беспроводных самоорганизующихся (ad-hoc) и ячеистых (mesh) сетей. Указанные сети связи переносят данные, собранные устройствами, к соответствующим программным приложениям, а также передают команды от программных приложений к устройствам. Следует отметить, что вещи и связанные с ними устройства могут обладать полноценными управляющими процессорами для обработки данных в виде «системы-на- кристалле», в том числе с собственной операционной системой, блоком сенсоринга/зондирования окружающей среды и блоком коммуникации. Следует различать понятия «Интернет вещей» и «интернет-вещь». Под интернет-вещью понимается любое устройство, которое: имеет доступ к сети Интернет с целью передачи или запроса каких-либо данных, имеет конкретный адрес в глобальной сети или идентификатор, по которому можно осуществить обратную связь с вещью, имеет интерфейс для взаимодействия с пользователем. Интернет-вещи имеют единый протокол взаимодействия, согласно которому любой узел сети равноправен в предоставлении своих сервисов. На пути перехода к воплощению идеи Интернета вещей стояла проблема, связанная с протоколом IPv4, ресурс свободных сетевых адресов которого уже практически исчерпал себя. Однако подготовка к повсеместному внедрению версии протокола IPv6 позволяет решить эту проблему и приближает идею Интернета вещей к реальности. Каждый узел сети интернет-вещей предоставляет свой сервис, оказывая некую услугу поставки данных. В то же время узел такой сети может принимать команды от любого другого узла. Это означает, что все интернет-вещи могут взаимодействовать друг с другом и решать совместные вычислительные задачи. Интернет-вещи могут образовывать локальные сети, объединѐнные какой-либо одной зоной обслуживания или функцией. Стандартизация IoT Вопросами стандартизации и практического внедрения отдельных составляющих Интернета вещей (М2М, RFID, всепроникающие сенсорные сети и др.) занимаются многие международные организации, неправительственные ассоциации, альянсы производителей и операторов, партнерские проекты. В целом для Интернета вещей, как нового направления развития инфокоммуникаций, в настоящее время определены самые общие концептуальные и архитектурные решения. В ближайшее время основной проблемой будет гармонизации различных стандартов с целью формирования единой и непротиворечивой нормативной базы для практической реализации Интернета вещей. В рамках деятельности сектора стандартизации телекоммуникаций Международного союза электросвязи (МСЭ-Т) имеются три глобальных инициативы GSI (Global Standards Initiative). Под глобальной инициативой понимается комплекс работ, выполняемых параллельно разными исследовательскими комиссиями МСЭ в соответствии со скоординированным планом работы. Одна из таких инициатив посвящена стандартизации Интернета вещей – IoT-GSI (Global Standards Initiative on Internet of Things). Две другие глобальные инициативы – по стандартизации сетей последующих поколений NGN-GSI и систем телевидения на основе протокола Интернет IPTV-GSI – также базируются на использовании IP-технологий, как и IoT-GSI. IoT-GSI строит свою работу на основе усилий МСЭ-Т в таких областях, как сетевые аспекты идентификационных систем (Network Identificator, NID), всепроникающие сенсорные сети (Ubiquitous Sensor Networks, USN), межмашинная связь (M2М), WEB вещей (WoT) и т.п. В рамках серии МСЭ-Т Y.2хxx, посвященной сетям следующего поколения NGN, уже утверждены первые рекомендации, посвященные специально Интернету вещей: Y.2060 «Обзор Интернета вещей», Y.2063 «Основа WEB вещей» и Y.2069 «Термины и определения Интернета вещей» и др. В Рекомендации Y.2060 приведена эталонная модель IoT, которая очень похожа на модель NGN и также включает четыре базовых горизонтальных уровня (рис. ниже): уровень приложений IoT; уровень поддержки приложений и услуг; сетевой уровень; уровень устройств. У  ровень приложений IoT в Рекомендации Y.2060 детально не рассматривается. Уровень поддержки приложений и услуг включает общие возможности для различных объектов IoT по обработке и хранению данных, а также возможности, необходимые для некоторых приложений IoT или групп таких приложений. Сетевой уровень включает сетевые возможности (функция управления ресурсами сети доступа и транспортной сети, управления мобильностью, функции авторизации, аутентификации и расчетов, AAA) и транспортные возможности (обеспечение связности сети для передачи информации приложений и услуг IoT). Наконец, уровень устройств включает возможности устройства и возможности шлюза. Возможности устройства предполагают прямой обмен с сетью связи, обмен через шлюз, обмен через беспроводную динамическую ad-hoc сеть, а также временный останов и возобновление работы устройства для энергосбережения. Возможности шлюза предполагают поддержку множества интерфейсов для устройств (шина CAN, ZigBee, Bluetooth, WiFi и др.) и для сетей доступа/транспортных сетей (2G/3G, LTE, DSL и др.). Другой возможностью шлюза является поддержка конверсии протоколов, в случае, если протоколы интерфейсов устройств и сетей отличаются друг от друга. Существует также два вертикальных уровня – уровень управления и уровень безопасности, охватывающие все четыре горизонтальных уровня. Возможности вертикального уровня эксплуатационного управления предусматривают управление последствиями отказов, возможностями сети, конфигурацией, безопасностью и данными для биллинга. Основными объектами управления являются устройства, локальные сети и их топология, трафик и перегрузки на сетях. Возможности вертикального уровня безопасности зависят от горизонтального уровня. Для уровня поддержки приложений и услуг определены функции AAA, антивирусная защита, тесты целостности данных. Для сетевого уровня – возможности авторизации, аутентификации, защиты информации протоколов сигнализации. На уровне устройств – возможности авторизации, аутентификации, контроль доступа и конфиденциальность данных. О   сновной целью проекта Европейского интеграционного проекта IoT-A (Internet of Things – Architecture), участниками которого являются различные компании, является разработка эталонной архитектурной модели Интернета вещей с описанием основных составляющих компонентов, которая бы позволила интегрировать разнородные технологии IoT в единую взаимосвязанную архитектуру. Функциональная модель IoT-A (рис. ниже) несколько отличается от модели МСЭ (см. рис. выше), хотя она тоже является иерархической, но состоит уже из семи горизонтальных уровней, дополняемых двумя вертикальными (управление и безопасность), которые участвуют во всех процессах. Если обратиться к техническим особенностям модели на рис. ниже, то можно сказать, что модель передачи данных в Интернете вещей IoT-A будет отличаться от существующей модели передачи данных через Интернет. В модели архитектуры IoT-A фигурируют два важных понятия. Сеть с ограничениями характеризуется относительно низкими скоростями передачи – менее 1 Мбит (например, стандарт IEEE 802.15.4) и достаточно высокими задержками. Сеть без ограничений соответственно характеризуется высокими скоростями передачи данных (десятки Мбит/с и более) и похожа на существующую сеть Интернет. Архитектура IoT И  нтернет вещей концептуально принадлежит к сетям следующего поколения, поэтому его архитектура во многом схожа с известной четырехслойной архитектурой NGN. IоT состоит из набора различных инфокоммуникационных технологий, обеспечивающих функционирование Интернета вещей, и его архитектура показывает, как эти технологии связаны друг с другом. Архитектура IоT включает четыре функциональных уровня, описанных ниже. 1. Уровень сенсоров и сенсорных сетей. Самый нижний уровень архитектуры IoT состоит из «умных» (smart) объектов, интегрированных с сенсорами (датчиками). Сенсоры реализуют соединение физического и виртуального (цифрового) миров, обеспечивая сбор и обработку информации в реальном масштабе времени. Миниатюризация, приведшая к сокращению физических размеров аппаратных сенсоров, позволила интегрировать их непосредственно в объекты физического мира. Существуют различные типы сенсоров для соответствующих целей, например, для измерения температуры, давления, скорости движения, местоположения и др. Сенсоры могут иметь небольшую память, давая возможность записывать некоторое количество результатов измерений. Сенсор может измерять физические параметры контролируемого объекта/явления и преобразовать их в сигнал, который может быть принят соответствующим устройством. Сенсоры классифицируются в соответствии с их назначением, например, сенсоры окружающей среды, сенсоры для тела, сенсоры для бытовой техники, сенсоры для транспортных средств и т.д. Большинство сенсоров требует соединения с агрегатором сенсоров (шлюзом), которые могут реализоваться быть реализованы с использованием локальной вычислительной сети (LAN, Local Area Network), таких как Ethernet и Wi-Fi или персональной сети (PAN, Personal Area Network), таких как ZigBee, Bluetooth и ультраширокополосной беспроводной связи на малых расстояниях (UWB, Ultra-Wide Band). Для сенсоров, которые не требуют подключения к агрегатору, их связь с серверами/приложениями может предоставляться с использованием глобальных беспроводных сетей WAN, таких как GSM, GPRS и LTE. Сенсоры, которые характеризуются низким энергопотреблением и низкой скоростью передачи данных, образуют широко известные беспроводные сенсорные сети (WSN, Wireless Sensor Network). WSN набирают все большую популярность, поскольку они могут содержать гораздо больше сенсоров с поддержкой работы от батарей и охватывают большие площади. 2. Уровень шлюзов и сетей. Большой объем данных, создаваемых на первом уровне IoT многочисленными миниатюрными сенсорами, требует надежной и высокопроизводительной проводной или беспроводной сетевой инфраструктуры в качестве транспортной среды. Существующие сети связи, использующие различные протоколы, могут быть использованы для поддержки межмашинных коммуникаций M2M и их приложений. Для реализации широкого спектра услуг и приложений в IoT необходимо обеспечить совместную работу множества сетей различных технологий и протоколов доступа в гетерогенной конфигурации. Эти сети должны обеспечивать требуемые значения качества передачи информации, и прежде всего по задержке, пропускной способности и безопасности. Данный уровень состоит из конвергентной сетевой инфраструктуры, которая создается путем интеграции разнородных сетей в единую сетевую платформу. Конвергентный абстрактный сетевой уровень в IoT позволяет через соответствующие шлюзы нескольким пользователям использовать ресурсы в одной сети независимо и совместно без ущерба для конфиденциальности, безопасности и производительности. 3. Сервисный уровень Сервисный уровень содержит набор информационных услуг, призванных автоматизировать технологические и бизнес операции в IoT: поддержки операционной и бизнес деятельности (OSS/BSS, Operation Support System/Business Support System), различной аналитической обработки информации (статистической, интеллектуального анализа данных и текстов, прогностическая аналитика и др.), хранения данных, обеспечения информационной безопасности, управления бизнес-правилами (BRM, Business Rule Management), управления бизнес-процессами (BPM, Business Process Management) и др. 4. Уровень приложений На четвертом уровне архитектуры IoT существуют различные типы приложений для соответствующих промышленных секторов и сфер деятельности (энергетика, транспорт, торговля, медицина, образование и др.). Приложения могут быть «вертикальными», когда они являются специфическими для конкретной отрасли промышленности, а также «горизонтальными», (например, управление автопарком, отслеживание активов и др.), которые могут использоваться в различных секторах экономики. Способы взаимодействия с интернет-вещами Используют 3 способа взаимодействия с интернет-вещами: 1) прямой доступ; 2) доступ через шлюз; 3) доступ через сервер. В  случае прямого доступа интернет-вещи должны иметь собственный IP-адрес или сетевой псевдоним, по которому к ним можно обратиться из любого клиентского приложения и они должны выполнять функции веб-сервера. Интерфейс с такими вещами обычно выполнен в виде web-ресурса с графическим интерфейсом для управления посредством веб-браузера. Возможно использование специализированного программного обеспечения. В такие веб-устройства должен быть интегрирован прикладной программный интерфейс RESTful API для прямого доступа к ним через Интернет. Соответствующая архитектура WoT показана на рис. ниже. Каждое устройство имеет собственный IP-адрес, работает как веб-сервер и использует интерфейс RESTful API для реализации веб- приложения, объединяющего данные из нескольких источников в один интегрированный сервис. При таком объединении получается новый уникальный веб-сервис, изначально не предлагаемый ни одним из источников данных. Недостатки такого способа очевидны: необходимость иметь фиксированный адрес в сети, что зависит от провайдера услуги связи с Интернетом таких вещей; другим выходом из ситуации является использование сетевого псевдонима IP-адреса (alias), что требует постоянного обращения интернет-вещи к специальному серверу с запросом об обновлении сетевого адреса по псевдониму; лимит подключений к устройству – вызвано низким качеством связи интернет-вещей, а также их слабыми вычислительными ресурсами. Такая проблема решается путѐм включения в состав интернет-вещи высокопроизводительного оборудования и подключения вещей к стабильному источнику связи с Интернетом. Это вызывает необходимость в большем потреблении энергии такой вещью и часто вынуждает делать такие вещи стационарными, питающимися от постоянных источников электроэнергии. Е  сли интерент-вещи не имеют встроенной поддержки протоколов IP и НТТР, а поддерживают частные протоколы, например Bluetooth или ZigBee, то для взаимодействия с ними можно использовать специальный Интернет-шлюз (рис. справа). Он является веб- сервером, который через интерфейс REST-API взаимодействует с IP-устройствами, и преобразует поступающие от них запросы в запрос к специфическому API устройства, подключенного к этому шлюзу. Основное преимущество использования Интернет шлюза в том, что он может поддерживать несколько типов устройств, использующих собственные протоколы для связи. Доступ к интернет-вещам через шлюз является более рациональным способом организации взаимодействия и полностью вытесняет метод прямого доступа в случае необходимости организации связи беспроводных сенсорных сетей или сети Интернет-вещей с глобальной сетью Интернет. Большинство стандартов беспроводных сенсорных сетей не поддерживают протокол IP, используя собственные протоколы взаимодействия. Такая особенность вызывает необходимость наличия устройства для ретрансляции сообщений из сенсорной сети в сеть Интернет для совместимости протоколов. Недостатки такого подхода те же, что и в случае прямого доступа, но распространяются они уже на шлюз. Третья форма взаимодействия устройств в IoT через сервер подразумевает наличие посредника между интернет-вещами и пользователем и может быть реализована с помощью посреднической платформы данных. Данный подход предполагает наличие централизованного сервера или группы серверов, в основные функции которых входит: приѐм сообщений от интернет-вещей и передача их пользователям; хранение принятой информации и еѐ обработка; обеспечение пользовательского интерфейса с возможностью двустороннего обмена между пользователем и интернет-вещью. Основной целью использования посреднических платформ данных является упрощение поиска, контроля, визуализации и обмена данными с разными «вещами». В основе данного подхода лежит централизованное хранилище данных. Каждое устройство, имеющее доступ в сеть Интернет (прямой или через интернет-шлюз), должно быть зарегистрировано в системе, прежде чем оно сможет начать передачу данных. При этом существенно снижаются требования к производительности устройств, так как от них не требуется выполнение функций web-сервера. Набор инструментов, предоставляемых платформами, существенно упрощает разработку новых приложений для взаимодействия и управления объектами WoT. Такой способ доступа является наиболее рациональным и часто используемым, поскольку позволяет перенести нагрузку обработки запросов пользователей с интернет- вещей на централизованный сервер, тем самым разгружая слабый радиоканал связи интернет-вещей, перенося нагрузку на проводные каналы связи между сервером и пользователями. Метод централизованного сервера также предоставляет надѐжные средства хранения и обработки информации, позволяет интернет-вещам взаимодействовать друг с другом и пользоваться облачными вычислениями. Данный подход может использовать также метод шлюза для соединения локальных беспроводных сетей с сервером. В Интернете вещей шлюз используется не только для прямой связи интернет-вещей с пользователем, но и при использовании централизованного сервера. Шлюзы служат средством для объединения локальных сетей интернет-вещей с глобальной сетью и связью с сервером управления или конечным пользователем. Поскольку локальные сети интернет-вещей представляют собой в основном беспроводные сенсорные сети, то шлюзы, используемые в Интернете вещей, аналогичны используемым в территориально-распределѐнных сенсорных сетях. Существует несколько способов организации шлюзов. Первый способ заключается в использовании компьютеров, которые имеют точку доступа к глобальной сети Интернет, и каждая из объединяемых сетей подключена к такому компьютеру. Основными недостатками такого подхода являются стоимость и громоздкость. Сенсорные сети состоят из миниатюрных датчиков и должны работать автономно, однако территориально-распределѐнная сенсорная сеть при таком подходе теряет свойство автономности, поскольку теперь она зависит от наличия электричества и точки доступа в Интернет на компьютере. Второй способ заключается в использовании устройства-шлюза, позволяющего соединить сенсорную сеть с ближайшей проводной сетью, имеющей выход в Интернет. Такой проводной сетью, как правило, является Ethernet-сеть. Устройство имеет в себе приѐмопередатчик, совместимый с объединяемой сенсорной сетью, порт для подключения к сети Ethernet и микроконтроллер, выполняющий функции преобразования пакетов одной сети в формат другой. Такой способ отличается меньшей стоимостью, чем первый и размер такого устройства небольшой, но оно нуждается в относительно высоком энергопотреблении из-за того, что стандартные проводные сети не рассчитаны на низкий уровень сигнала и потребления энергии. Также такое устройство не может гарантировать наличие точки доступа в ближайшей проводной сети. Третий способ заключается в использовании устройства-шлюза, которое является полностью автономным и само предоставляет точку доступа к сети Интернет. Это возможно при использовании беспроводных технологий передачи данных. Устройство состоит из одного приѐмопередатчика, совместимого с сенсорной сетью и второго – совместимого с той или иной глобальной беспроводной сетью, в область действия которой попадает сенсорная сеть. Такими сетями могут служить GSM или WiMAX. Использование сети GSM является более экономичным в плане энергопотребления. Существуют также шлюзы, предоставляющие доступ сенсорным сетям к ближайшим сетям Wi-Fi для поиска точки доступа к сети Интернет. Таким образом, если необходимо организовать полностью автономную территориально-распределѐнную сенсорную сеть, то следует использовать третий способ. Если же сенсорная сеть используется как часть какой-либо крупной проводной сети, то нет необходимости в еѐ полной автономности и возможно использование первых двух способов. Направления практического применения IoT Н  а основе Интернета вещей могут быть реализованы всевозможные «умные» (smart) приложения в различных сферах деятельности и жизни человека: «Умная планета» – человек сможет буквально «держать руку на пульсе» планеты: своевременно реагировать на упущения в планировании хозяйств, загрязнения и другие экологические проблемы, а значит, эффективно распоряжаться невозобновляемыми ресурсами. «Умный город» – городская инфраструктура и сопутствующие муниципальные услуги, такие как образование, здравоохранение, общественная безопасность, ЖКХ, станут более связанными и эффективными. «Умный дом» – система будет распознавать конкретные ситуации, происходящие в доме, и реагировать на них соответствующим образом, что обеспечит жильцам безопасность, комфорт и ресурсосбережение. «Умная энергетика» – будет обеспечена надежная и качественная передача электрической энергии от источника к приемнику в нужное время и в необходимом количестве. «Умный транспорт» – перемещение пассажиров из одной точки пространства в другую станет удобнее, быстрее и безопаснее. «Умная медицина» – врачи и пациенты смогут получить удаленный доступ к дорогостоящему медицинскому оборудованию или к электронной истории болезни в любом месте, будет реализована система удаленного мониторинга здоровья, автоматизирована выдача лекарственных препаратов больным и многое другое. Проблемы внедрения IoT Широкому внедрению Интернета вещей препятствуют сложные технические и организационные проблемы, в частности, связанные со стандартизацией. Единых стандартов для интернета вещей пока нет, что затрудняет возможность интеграции предлагаемых на рынке решений и во многом сдерживает появление новых. Сильнее всего глобальному внедрению препятствует расплывчатость формулировок концепции интернета вещей и большое число регуляторов и их нормативных актов. К факторам, замедляющим развитие Интернета вещей, следует отнести сложности перехода существующего Интернета к новой, 6-й версии сетевого протокола IP, прежде всего необходимость больших финансовых затрат со стороны телекоммуникационных операторов и провайдеров услуг на модернизацию своего сетевого оборудования. Если технологические платформы для Интернета вещей уже практически созданы, то, например, юридические и психологические ещѐ находятся только в стадии становления, равно как и проблемы взаимодействия пользователей, данных, устройств. Одна из проблем – защита данных в таких глобальных сетях. Существует также серьезная проблема, связанная с вторжением Интернета вещей в частную жизнь. Возможность отслеживать местонахождение людей и их собственности ставит вопрос о том, в чьем распоряжении окажутся эти сведения. Кто будет нести ответственность за хранение информации, собранной «умными вещами»? Кому и на каких условиях будет предоставляться эта информация? Можно ли ее собирать без согласия человека? Все эти вопросы пока остаются открытыми. Также для полноценного функционирования такой сети необходима автономность всех «вещей», т.е. датчики должны научиться получать энергию из окружающей среды, а не работать от батареек, как это происходит сейчас. Кроме того, с появлением Интернета вещей возникнет необходимость изменения общепринятых и проверенных бизнес-процессов и стратегий, что может привести к значительным финансовым затратам и рискам. Основные драйверы и проблемы внедрения Интернета вещей приведены в табл. ниже. Однако все перечисленные недостатки не существенны по сравнению с тем, какие возможности может дать Интернет вещей для человечества. Поэтому рано или поздно человечество неизбежно будет широко использовать технологии IoT. А вот чтобы эти технологии успешно внедрять, необходимо их знать. Краткому обзору технических особенностей различных составляющих Интернета вещей и посвящены остальные главы книги.
|