Интернет вещей: новые вызовы и новые технологии

Когда-нибудь любая вещь, с которой нельзя связаться по сети, будет казаться морально устаревшей в той же степени, что и деревянное колесо с железным ободом по сравнению с колесом современного автомобиля. Конечно, и то и другое — круглое, но функциональность и сложность — качественно иные. Вещи нового поколения (smart things) будут не только «умными», но и объединенными в сеть — Интернет вещей (Internet of Things, IoT). Как повлияет изменение мира вещей на нашу жизнь и как вообще под действием предстоящей метаморфозы окружающих нас вещей будет выглядеть мир через 15–20 лет, никто точно не скажет, но с определенностью можно утверждать — потрясения будут не меньше тех, что вызвал нынешний Интернет или сотовая связь. Поэтому уже сейчас, загодя, IoT становится предметом широкого, в том числе и спекулятивного, обсуждения.

Предложив в 1999 году термин Internet of Things, основатель исследовательского центра Auto-ID Center в Массачусетском технологическом институте Кевин Эштон явно не предполагал нынешнего разворота событий. За прошедшие годы представление об IoT заметно расширилось и углубилось — тринадцать лет назад масштаб грядущих изменений казался намного скромнеее. Теперь же IoT не ограничен связью с вещами, снабженными метками RFID, а рассматривается в контексте объединения таких современных концепций, как всепроникающие компьютерные системы и интеллектуальная окружающая среда (Pervasive Computing, Ubiquitous Computing, Ambient Intelligence). Конвергенция создает условия для нового явления — Интернета будущего, включающего в себя помимо нынешнего Интернета людей (Internet of People, IoP) еще и Интернет медиаконтента (Internet of Media, IoM), Интернет сервисов (Internet of Services, IoS) и Интернет вещей (Internet of Things, IoT). Попробуем c трех точек зрения разобраться, что такое IoT (рис. 1).

Spime — неологизм от space («пространство») и time («время»), предложенный писателем-фантастом Брюсом Стерлингом для теоретически возможных искусственно созданных интеллектуальных объектов, которые могут перемещаться в пространстве и изменяться во времени; WISP (Wireless Internet Service Provider) — провайдер беспроводных сервисов Интернета; WSAN (Wireless Sensor and Actuator Networks) — сети беспроводных датчиков и приводов; IEEE 802.22 WRAN (Wireless Regional Area Network, WRAN) — региональная беспроводная сеть, а стандарт IEEE 802.22 был объявлен IEEE в 2011 году и использует «пробелы» (white space) в телевизионном диапазоне частот, технологии когнитивного радио, подстройку параметров приемопередающих устройств сети на основе анализа эфира; WBAN (Wireless Body Area Network, WBAN) — беспроводная сеть в пределах человеческого тела; WPAN (Wireless Personal Area Network, WPAN) — персональная беспроводная сеть; WLAN (Wireless Local Area Network, WLAN) — беспроводная локальная сеть.

Рис. 1. Интернет вещей с трех точек зрения

Многим великим изобретениям человечества требуются десятки и даже сотни лет на переход от простых по форме представлений до сложных систем. Около ста лет потребовалось авиационному сообщению на путь от простейших бипланов, садившихся на травяное поле, до современных авиатранспортных комплексов. От создания предпосылок до массового внедрения Интернета людей ушло почти четверть века, однако похоже, что для IoT на то же самое потребуется существенно меньше времени. Понимание того, что такое Интернет вещей, вызревает быстро — еще недавно традиционным примером потенциала IoT был холодильник, подключенный к сети, но уже сегодня ясно: IoT станет принципиально новой формой организации пространства, окружающего человека, с последствиями, сравнимыми с изобретением электричества или атомной энергии.

Национальный разведывательный совет США, осуществляющий координацию усилий разведки в определенных географических регионах и промышленных отраслях, в 2008 году опубликовал документ “Disruptive Civil Technologies”, в котором среди шести гражданских технологий с наибольшей «взрывной силой» назван IoT. По мнению авторов отчета, к 2025 году узлами IoT смогут стать все окружающие нас предметы.

Понятие «вещь» не так банально и очевидно, как кажется: определение вещи интересовало философов, начиная с Аристотеля и продолжателя его дела Филопона вплоть до современности, есть еще юридическая трактовка «вещи» и бытовая, которая и доминирует. Вещь может быть материальной и нематериальной, одушевленной и неодушевленной, а в контексте IoT вещью можно считать нечто реальное или виртуальное, но обязательно так или иначе связанное с цифровым миром посредством беспроводных коммуникаций, и это нечто должно обладать способностью быть так или иначе идентифицированным во времени и пространстве.

Интернет вещей позволит создать динамические сети, состоящие из миллиардов и триллионов таких вещей, коммуницирующих между собой. Таким образом обеспечится сплав цифрового и физического миров, для которого приложения, сервисы, компоненты связующего ПО и оконечные устройства — это вещи. У каждой из вещей реального физического мира в IoT будет цифровой двойник, ее виртуальное представление (рис. 2). Эти цифровые аналоги смогут воспринимать информацию из окружающего мира, вступать во взаимодействие, обмениваться данными. В результате сложится совершенно новая среда, где интеллект, заложенный в приложения, позволит оценивать происходящее в физическом мире, учитывать накопленные ранее сведения и опыт для поддержки принятия решений. В такой среде создаются качественно иные, чем сегодня, условия для бизнеса, для охраны здоровья, для обеспечения экологической безопасности и всего остального, что нас окружает. Разумеется, вся эта автоматизация не исключает человека, и в доказательство стоит привести неутешительный вывод, к которому пришли создатели самоуправляемого автомобиля Google после серии экспериментов, закончившихся в марте, — они считают результат отрицательным, и в обозримом будущем без водителя обойтись не удастся, более того, уровень автоматизации уже сегодня пора ограничить, не доводя его до той черты, когда человек теряет чувство ответственности за происходящее.

Рис. 2. Интернет вещей и интеграция в трех мирах

Не предполагается, что IoT полностью автономизирует вещи, — по существу, он ориентирован на человека и предоставляет ему возможность доступа к вещам, хотя многие вещи смогут вести себя иначе, чем мы представляем себе сегодня. В IoT каждая вещь будет иметь свой уникальный идентификатор (Unique Identifier) или виртуальный идентификатор (Virtual Identifier), которые совместно образуют континуум вещей, способных адресоваться друг другу, создавая временные или постоянные сети. Вещи смогут соучаствовать в процессе их перемещения, сообщая о себе сведения, они позволят полностью автоматизировать процесс логистики, а имея встроенный интеллект, они смогут менять свои свойства и адаптироваться к окружающей среде в том числе для уменьшения энергопотребления. Обладая «органами чувств», они смогут обнаруживать другие, так или иначе связанные с ними вещи, и налаживать с ними взаимодействие. Типичный пример такого рода, так называемый атакующий рой, — стая небольших беспилотных самолетов, способная выполнять поставленную перед ней задачу. Более того, IoT позволяет создавать комбинацию из интеллектуальных устройств (например, различного рода средства дистанционного сбора данных и роботы), объединенных мультипротокольными сетями связи, и людей-операторов. Совместно они могут создавать системы для работы в средах, неудобных или недоступных для человека: космос, большие глубины, ядерные установки, трубопроводы и т. п. Синергия различных вещей в сочетании с творческими возможностями может принести качественно новые результаты.

IoT в культурно-историческом контексте

Руководитель MIT Media Lab Николас Негропонте пишет: «Когда мы говорим об Интернете вещей, не стоит все сводить к нанесению меток RFID на тупые вещи, чтобы более умные вещи могли их распознавать. Суть совсем в другом — мы встраиваем интеллект в вещи, чтобы они стали умнее и могли делать больше, чем мы ожидали получить от них прежде». Не может не удивлять тот факт, что, в отличие от подавляющего большинства новых идей в области ИТ, IoT привлек к себе внимание авангардных архитекторов и культурологов. По их представлениям наступает момент, когда количество цифровых взаимосвязанных между собой устройств становится достаточным для изменения городского пространства, компьютеры «выходят из коробок» и обыкновенные предметы превращаются в носителей цифровых сигналов. Начинают воплощаться в жизнь предвидения таких персонажей, как скульптор и писатель из книги «Искусство как система», написанной Джеком Бурнхамом, как теоретик архитектуры и создатель группы «Аркигрэм» Седрик Прайс, архитектор и дизайнер Кристофер Александер. Дошло до того, что IoT превратился в расхожую тему для разговоров, и зачастую его используют в маркетинговых целях без адекватного понимания сущности происходящего.

В тех случаях, когда IoT рассматривается одновременно как технический и культурный феномен, его историю ведут с 1832 года, когда Павел Львович Шиллинг продемонстрировал первую действующую модель электромагнитного телеграфа. С этого момента началась передача данных с использованием электрической энергии со всеми вытекающими отсюда последствиями. Но подлинным началом IoT можно считать середину 20-х годов XX века — великие и таинственные работы Николы Теслы, апологета беспроводной передачи не только данных, но и энергии. Вот что он говорил тогда: «Когда беспроводные технологии достигнут подлинного развития, вся Земля превратится в единый огромный мозг, все вещи станут частью единого целого и доступ к этому мозгу человек будет иметь с помощью прибора, похожего на современный телефон, каждый сможет носить его в кармане». Трудно поверить, что это было сказано почти 90 лет назад. Философ Маршалл Маклюэн, исследователь воздействия электронных средств коммуникации на человека и общество, еще в 1964 году отмечал: «Посредством электронных медиа и других технологий мы превратим города в информационные системы».

С 1969 года, вошедшего в историю человечества как год создания ARPAnet, началась следующая технологическая фаза, которая продолжалась до 1999 года: протокол TCP/IP, DNS, World Wide Web и т. п. А в 1990 году Джон Ромни сделал первое интернет-устройство — тостер, управляемый по Сети. Из книги Марка Вейзера «Компьютер в XXI веке», вышедшей в 1991 году: «Наиболее продвинутые технологии характерны тем, что они вроде бы исчезают из виду, вплетаясь в ткань повседневной жизни так, что становятся ее неразрывной частью, неотличимы от нее». И еще одно высказывание из последней работы Вейзера, написанной в 1998 году: «Всепроникающие компьютерные системы представляют собой прямую противоположность виртуальной реальности. Виртуальная реальность позволяет человеку отключиться от жизни и погрузиться в мир, созданный компьютерными технологиями, а всепроникающие вычисления вводят компьютер в мир, где живут люди».

Решающим стал 1999 год, когда в МТИ был создан Auto-ID Center, а затем еще семь лабораторий Auto-ID Labs, расположенных на четырех континентах. Создатель и первый директор Auto-ID Center спустя десять лет писал: «Я могу ошибиться, но убежден, что фраза “Internet of Things” начала свое существование в 1999 году, я использовал ее во время презентации технологии RFID в Procter&Gamble, не претендуя на глобальность, а скорее, чтобы образно подчеркнуть суть. Позже ее стали использовать где угодно, от статей в научно-популярных журналах до названия конференций, но чаще всего без достаточного понимания сути». На пару лет позже в МТИ был организован междисциплинарный центр Center for Bits and Atoms — его создатель Нейл Гершенфельд в 1999 году выпустил книгу «Когда вещи начинают думать», где писал: «Ретроспективно глядя на быстрый рост World Wide Web, можно допустить, что он спровоцирует еще больший взрыв, результатом которого будут вещи, подключенные к Сети».

После 2003 года поднялась волна публикаций, конференций и прочих массовых акций по поводу IoT, но, пожалуй самым значимым событием был запуск протокола IPv6, позволяющего присвоить адреса 340 ундециллионам (10 ³⁹) объектов. По мнению авторов IPv6, 240 из них хватит, чтобы адресоваться к каждому атому на поверхности Земли и еще 100 с лишним останется в резерве.

Реальные приложения

Фантазия в части применения умных вещей ничем не ограничена, но это в будущем, а уже сегодня просматриваются приложения, где IoT даст очевидный эффект.

• Авиационная и аэрокосмическая промышленность. Традиционные методы контроля не исключают вероятности использования контрафактных узлов, это болезнь всеобщая, ею страдают и другие отрасли, но здесь она особенно опасна и является причиной до трети авиационных происшествий. При наличии неотделимой от изделия метки RFID и распределенной базы данных выпущенных разными производителями запасных частей проблема контроля происхождения той или иной детали снимается. Следующий шаг — контроль состояния изделия в процессе эксплуатации, при этом ответственные узлы и механизмы могут быть снабжены беспроводными системами диагностики и сбора данных для анализа и принятия решений с использованием современных аналитических технологий.
• Автомобильная промышленность. В этой сфере могут быть реализованы системы мониторинга и плюс к тому механизмы взаимодействия между транспортными средствами (Vehicle to Vehicle, V2V), взаимодействия транспортного средства с инфраструктурой (Vehicle to Infrastructure, V2I). Снабжение автомобилей системами позиционирования в реальном времени (Real-time Locating Systems, RTLS) позволяет оптимизировать движение, а системами связи на малом расстоянии (Dedicated Short Range Communication, DSRC) — упростить прохождение пунктов оплаты, таможенных терминалов. Системы V2V и V2I позволяют организовать интеллектуальные транспортные сети, наладить идентификацию микроточкой, когда в неприметных местах наклеивается метка, содержащая персональный идентификационный номер автомобиля VIN, что в сочетании с технологией RFID сократит возможности хищения.
• Телекоммуникации. IoT открывает возможности для объединения различных телекоммуникационных технологий с целью предоставления сервисов нового типа. Предполагается интеграция глобальной цифровой мобильной сотовой связи GSM с коммуникациями ближнего радиуса действия (Near Field Communication, NFC), персональными сетями на базе Bluetooth, беспроводными локальными сетями, беспроводными сенсорными сетями стандарта ZigBee в сочетании с системой глобального позиционирования и технологией идентификации абонента (SIM-карты). Такая интеграция позволит сервисам преодолевать границы различных административных доменов и образовывать необходимые пользователю композиции.
• Умные дома. Сегодня представление об умном доме распространяется на дорогие офисы, а IoT демократизирует эти возможности прежде всего за счет использования массовых продуктов (произойдет примерно то же, что было с переходом от мэйнфреймов к ПК).

Близкие по смыслу преобразования возможны в медицине, в технике ухода за больными, в фармацевтике, в различных областях производства, в страховании и т. д.

IoT и M2M

Современные машины и механизмы могут взаимодействовать между собой (Machine-to-Machine, M2M), с инфраструктурой внешней среды (Machine-to-Infrastructure, M2I) и с природой (Machine-to-Nature, M2N). Межмашинное взаимодействие иногда определяют как набор технологий, позволяющих машинам обмениваться информацией друг с другом или передавать ее в одностороннем порядке. Однако машины могут обмениваться исключительно данными, но не информацией, и это важно для понимания сущности взаимодействия. В ряде работ M2M отождествляется с IoT, что категорически неверно, поскольку сегодня мы понимаем Интернет расширительно, не только как способ передачи данных между узлами сети с использованием определенных протоколов и технологий. В Интернет мы включаем сервисы, и для многих, если не для большинства пользователей, нет различия между World Wide Web и Интернетом, главное — возможность взаимодействия человека с сетью, с сервисами сети, отсюда следует Internet of People. То же самое и в случае с IoT — здесь под Интернетом понимается возможность взаимодействия между машинами, и совершенно не обязательно, что для этого используются те или иные протоколы. Иначе говоря, M2M — это физическая основа Интернета вещей, а используются или не используются при этом протоколы, значения не имеет.

Межмашинное взаимодействие началось с систем автоматизации, телеметрии и того, что называют системами диспетчерского управления и сбора данных (Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA). Классические системы этого типа собирают немного, по современным понятиям, данных и направляют их в центральный узел, где они обрабатываются компьютерами и анализируются людьми. Такие системы были специализированными, строились с использованием «тяжелого» оборудования с высоким энергопотреблением, а связь в 99,9% случаев была организована по проводам. Нынешние M2M отличаются применением универсальных датчиков, стандартных систем передачи данных, главным образом беспроводных, минимальным потреблением энергии, отсутствием обязательной централизации и обработкой данных, поступающих от большого числа датчиков. Главное — интеллект системы распределен по иерархии (рис. 3).

Рис. 3. Иерархия устройств

Особенности технологий IoT

Создание полноценного Интернета вещей — задача куда более сложная, чем это может показаться, а ее решение потребует пересмотра практически всех составляющих современного Интернета, от общих архитектурных принципов существующих технологий идентификации, технологий идентификации и управления сетями до обеспечения безопасности и соблюдения прав личности.

Идентификация

В традиционном Интернете с 1994 года, когда консорциум World Wide Web Consortium утвердил систему универсальных идентификаторов ресурсов URI (Uniform Resource Identifier), с адресацией проблем нет. В общем случае URI включает в себя указание на механизм, используемый для доступа к ресурсу, компьютер, на котором ресурс находится, и имя ресурса (обычно имя файла). Используется подмножество URI, называемое URL (Uniform Resource Locator), а ограниченное распространение имеет близкая по существу система URN (Uniform Resource Name). Однако при переходе к IoT проблема в том, что ресурсы более разнообразны и намного сложнее организованы, чем файлы в обычных файловых системах.

В IoT невозможно обойтись одним идентификатором в силу того, что вещь может существовать в разных контекстах. Например, как изделие она может проходить по цепочке поставок от первых этапов производства до потребления или использования по месту назначения. Вначале она существует как отдельное изделие, а потом как часть чего-то целого: скажем, турбинная лопатка является частью двигателя, а двигатель — частью самолета, а самолет находится под контролем системы сопровождения и т.д. Кроме всего прочего, в ряде случаев нельзя раскрывать подлинное имя вещи, в таких случаях требуются своего рода псевдонимы. Видимо, нужен какой-то уникальный идентификатор и средства его перевода для поддержки жизненного цикла вещи в соответствующих обстоятельствах. Первыми попытками движения в этом направлении стали стандарты на транспортные бирки Transport Label (ISO 15394), лицензионные знаки License Plate (ISO 15459), штрихкоды Code 128 barcodes (ISO 15417) и идентификаторы данных Data Identifiers (ISO 15418), но их область действия ограничена только логистикой. Необходимы исследования и разработки в области конвергенции и совместимости систем идентификации, чтобы однозначно именовать вещи в разных условиях и с использованием различных технических средств идентификации.

Архитектура и семантическая совместимость

По определению IoT должен в максимальной степени обеспечить совместимость гетерогенных систем и разнородных ресурсов, включая поставщиков и потребителей информации и сервисов, людей, программное обеспечение, умные вещи и устройства. При этом отдельные узлы должны иметь возможность образовывать сети, связывающие их напрямую (peer), или собираться вместе в некоторые суперузлы. К тому же должна быть обеспечена полная децентрализация, причем не просто в виде распределенного интеллекта, а с возможностью, условно говоря, перемещения интеллекта с тем, чтобы перенести его ближе к источнику Больших Данных. Чтобы реализовать подобную, еще не вполне понятную сегодня функциональность, во главу угла архитектуры должна быть положена семантическая совместимость — возможность компьютерных систем обмениваться смыслом передаваемых сообщений с однозначным его пониманием вне зависимости от форм представления.

О семантической совместимости много говорят в контексте Semantic Web, хотя, по существу, представления о семантической совместимости возникли вместе с сервис-ориентированными архитектурами (Service-Oriented Architecture). Но в SOA все относительно просто — системы статичны, и можно без особых сложностей использовать два альтернативных подхода: либо применять какие-то общие взаимно понятные информационные структуры, либо задействовать специальные брокеры, выполняющие функции перевода (семантические медиаторы). В условиях децентрализованной и гетерогенной природы вещей все намного сложнее — поддержка семантической совместимости должна быть масштабируемой, гибкой, открытой, многоуровневой, способной реагировать на события в окружающей среде, свободной от привязанности к определенным технологиям (язык программирования, операционная система, способы транспортировки данных и т. д.).

Обеспечение семантической совместимости в условиях IoT будет строиться исходя из возможностей тех же двух подходов, но задачи их реализации отличаются существенно большей наукоемкостью. Необходимо создавать специализированные словари для определенных вертикальных областей (Vertical domain cantered business vocabularies), горизонтальные конструкции (Horizontal Canonical Cross-Vertical frameworks) наподобие ebXML (Electronic Business using eXtensible Markup Language) и UBL (Universal Business Language). Количественное увеличение вещей и автоматизация работы с ними приведут к тому, что нынешние рутинные операции, такие как управление потоками работ, контрактами и тому подобное, превратятся из унылой офисной работы в полноценное высококвалифицированное управление. В данном случае предстоит переход, не меньший по радикальности, чем от управления лошадью кнутом и вожжами к управлению современным автомобилем или самолетом.

Главная отличительная особенность беспроводных сенсорных сетей (Wireless Sensor Network, WSN) заключается в способности к самоорганизации, их так и называют кооперативными (cooperative). Каждый из узлов WSN состоит из одного или нескольких микроконтроллеров на микропроцессоре или на сигнальном процессоре DSP, имеет память для хранения программ и данных, приемник-передатчик, источник питания и датчики. Если есть еще какие-то приводы, то такие сети называют WSAN (Wireless Sensor and Actuator Networks). Сети WSN могут включать в себя десятки тысяч узлов, которые могут конфигурироваться «по обстоятельствам» (ad hoc).

Совместная деятельность узлов поддерживается несколькими базовыми решениями: распределением доступа к эфиру, маршрутизацией, возможностью определения местоположения узла и синхронизацией по времени (рис. 4). Доступ к носителю (Medium Access Control, MAC) напоминает Ethernet, но проще. Здесь тоже могут возникать коллизии, когда передатчик обнаруживает, что несущая частота занята, но в силу того, что скорости передачи и объемы данных в WSN намного меньше, а вычислительная мощность узлов ниже, алгоритмы разрешения конфликтных ситуаций проще. Организация прохождения пакетов (маршрутизация) в WSN существенно отличается не только от Интернета, но и от близких по возможностям сетям MANET (Mobile Ad hoc Network). За основу взят географический принцип (Geographic Forwarding, GF) — каждый датчик имеет сведения только о ближайших маршрутизирующих узлах и может передавать данные только им. Такой подход позволяет использовать маломощные передатчики, что важно с точки зрения потребления энергии и минимизации коллизий. Локализация узлов не исключает применения в WSN технологий геолокации, но чаще используются различные радиотехнические методы, например на основе измерения интерференции сигналов (Radio Interferometric Geolocation), что эффективно при работе в сантиметровом частотном диапазоне.

Безопасность

В IoT каждая вещь приобретает своего виртуального двойника — следовательно, помимо обеспечения физической безопасности, возникают проблемы информационной безопасности, значимость которой прямо пропорциональна количеству вещей. Использование беспроводных методов передачи данных открывает для злоумышленников бесконечные возможности. Чтобы оценить масштаб проблемы, достаточно представить себе, сколько уязвимостей создает использование меток RFID на изделиях, например на товарах потребления. На всех этапах логистики от производителя до магазина данные могут быть похищены, о товарах и продуктах сведения может получить кто угодно со всеми вытекающими последствиями. При выходе из магазина любой может узнать состав корзины покупателя и воспользоваться этими данными. Следовательно, нужны методы криптографии и физической защиты. Одновременно возникают многочисленные проблемы, связанные с защитой прав личности и другими вопросами.

***

Идея подключения вещей к сети, например интернет-холодильника, весьма привлекательна, поэтому легко поддается вульгаризации — об М2М и IoT может вещать каждый, однако от идеи до ее реализации большой и тяжелый путь, и об этом нельзя забывать.