Концепция Интернета вещей (Internet of Things, IoT) предусматривает постоянное наличие связи между всевозможными устройствами, наделяя все аспекты повседневной жизни преимуществами, которые дает Сеть. Аналитики Gartner прогнозируют, что к 2020 году Интернет вещей будет объединять 26 млрд устройств, увеличившись по сравнению с 2009 годом в тридцать раз.
Обычный Интернет оказался ценным практически для всех видов деятельности, дав людям всего мира возможность взаимодействия с информацией и сервисами. Большая часть этих взаимодействий происходит через WWW — браузеры, работающие на клиентских компьютерах, общаются с облачными серверами. Но Интернет — это не только WWW. В Сети работает множество других протоколов, и Интернет вещей, считающийся следующим витком эволюции Интернета, обещает массу сервисов для промышленности, умных энергосетей, систем безопасности, здравоохранения, дизайна, образования и потребительской электроники. Многие из промышленных и других систем уже связаны с WWW, но при этом они нередко пользуются проприетарными протоколами.
Для воплощения идеи Интернета вещей в жизнь предстоит решить немало практических проблем, в том числе связанных с резким увеличением масштабов Сети и распознаванием подключенных к ней устройств [1]. В мире Интернета вещей обнаружение ближних объектов и возможность взаимодействовать с ними позволят людям абстрагироваться от масштабов и сложности глобальной сети. Ключевыми механизмами Интернета вещей также станут одноранговые соединения, взаимодействие в режиме реального времени и поддержка устройств с ограниченными возможностями обработки информации.
Концепция Интернета вещей
Паутина дает важную модель взаимодействия для Интернета вещей — возможность получать информацию об устройствах и, в некоторых случаях, контролировать их с помощью браузера. Интернет вещей расширит обычный WWW, подключив к Всемирной сети широкий круг программно-аппаратных комплексов и электронных устройств [2]. Назовем «Физической Всемирной паутиной» (Physical Web) устройства в составе Интернета вещей, которые управляются и передают информацию с помощью веб-технологий. Любое взаимодействие между такими устройствами осуществляется с применением идентификаторов, причем в Интернете вещей в качестве идентификаторов для глобальной сети устройств нужно использовать 128-разрядные адреса IPv6. Можно также применять унифицированные идентификаторы ресурса URI, включающие в себя указатели и имена, как более высокоуровневую альтернативу, прокладывающую мост между устройствами Интернета вещей и традиционными веб-технологиями. Универсальный указатель ресурса URL используется совместно с сервисом доменных имен для маршрутизации и соединения с сервисами, а универсальное имя ресурса URN (Uniform Resource Names), в качестве которого может использоваться, к примеру, глобально-уникальный идентификатор, преобразуется в адрес с помощью методов, зависящих от схемы формирования имени. Отличительной особенностью Физической паутины является использование URI в качестве основного идентификатора [3].
Многие исследователи расширяют определение Интернета вещей, включая в него любого человека и вещи на планете. Таким образом, концепция Физической паутины охватывает не только умные устройства. Для соединения с Интернетом требуется поддержка сетевых технологий и средств обработки, но устройства, у которых их нет, могли бы пользоваться ресурсами соседних, выполняющих роль шлюзов. Это позволит миллиардам людей и различных устройств участвовать в Интернете вещей, тем более что у большинства людей сегодня уже есть такой шлюз — смартфоны, численность пользователей которых уже превысила миллиард. На рис. 1 показаны две модели взаимодействия, которые можно реализовать с помощью смартфонов. При прямом взаимодействии смартфон может опрашивать состояние устройства вблизи себя и выполнять роль моста между низкоуровневыми одноранговыми протоколами, такими как Bluetooth или Wi-Fi, и протоколами Интернета вроде HTTP и TCP. Один из примеров — фитнес-трекер Fitbit, который загружает число пройденных шагов через смартфон пользователя по 4G-сети в его облачный аккаунт. Через веб-сервис на своих смартфонах мобильные пользователи, находящиеся поблизости от объекта Интернета вещей, могут поискать связанную с ним информацию, опубликованную заинтересованными сторонами, — например, постер кинофильма, который позволяет проходящим мимо него людям автоматически обратиться к веб-странице картины и купить электронные билеты.
Рис. 1. Два способа взаимодействия с Интернетом вещей: а — прямой; б — через посредника |
Интернет вещей — модный сегодня термин, используемый в маркетинговых кампаниях крупнейших производителей сетевого оборудования вроде Cisco и гигантов микропроцессорной отрасли вроде Intel. Однако эта концепция строится на идеях, существовавших еще до появления WWW и упоминавшихся в отчетах известных исследовательских центров, таких как Xerox PARC. Почему же Интернет вещей еще не стал одним из стандартных инструментов бизнеса, а остается предметом рассуждений и домыслов, высказываемых экспертами на мероприятиях электронной отрасли, среди которых, например, Consumer Electronics Show? Ответ состоит в том, что Интернет вещей существует лишь для небольшого количества технологий, на базе которых удалось построить успешные бизнес-модели. Как правило, это закрытые экосистемы с проприетарными интерфейсами программирования и форматами данных, что противоречит самой идее открытых систем (с ориентацией на которые изначально создавались стандарты Интернета) и играет на руку нынешним закрытым коммерческим структурам наподобие Apple App Store и Facebook. Сегодня в продаже есть системы домашней автоматизации, соединяющиеся с Интернетом и обычно комплектуемые мостом, который управляет средствами автоматизации с помощью проприетарных протоколов внутри домашней сети и по открытым протоколам общается с внешним проприетарным веб-сервисом. Пользуясь настольным компьютером или смартфоном как клиентским устройством, можно управлять своим домом путем взаимодействия с онлайн-сервисом. При этом покупатель тем самым фактически бесплатно предоставляет производителю устройства оборудование для отображения пользовательского интерфейса.
Для полной реализации потенциала Интернета вещей необходимо решить проблему масштабирования — адресное пространство Всемирной сети увеличится на несколько порядков, поэтому обязательным требованием станет поддержка стандарта IPv6, работа над которым в IETF ведется уже довольно давно. Однако значительную долю объектов Интернета вещей составят пассивные устройства, неспособные напрямую связываться с Сетью по кабельному или радиосоединению, и, чтобы такие объекты получили представительство в WWW, понадобятся метки, смартфоны и посреднические веб-сервисы. Из всех идей, связанных с Интернетом вещей, идея поддержки пассивных устройств сегодня наименее проработана.
Базовые технологии
Существует несколько видов меток для физических объектов, связывающих их с посредническими веб-сервисами (рис. 2).
Рис. 2. Различные виды электронных меток, подходящих для Физической паутины: а — NFC-метка; б — QR-код; в — метка Bluetooth Low Energy |
RFID и NFC. В начале 2000-х годов идентификационные радиометки (RFID) считались одной из главных технологий, приближающих возможность создания Интернета вещей. В организации EPC Global разработали стандарт UHF RFID, рассчитывая обеспечить возможность дальнейшей автоматизации транзакций в розничной торговле и заменить штрихкоды на метки, которые машина может считывать с расстояния до трех метров. Однако после серии испытаний совместно с крупными торговыми сетями, в том числе с Walmart и Tesco, стандарт не получил распространения, поскольку метки часто не читались из-за помех и неудобства доступа.
Новые перспективы у RFID возникли с появлением технологии связи ближнего действия (NFC), предназначенной для выполнения электронных платежей, и хотя лишь немногие модели смартфонов сегодня имеют приемопередатчики NFC, вероятность распространения таких аппаратов в дальнейшем высока. С их помощью можно было бы считывать пассивные NFC-метки, способные хранить URI, — недорогие, компактные и тонкие, прикрепляемые практически к чему угодно. В сентябре 2014 года было объявлено, что iPhone будет поддерживать технологию NFC для сервиса ApplePay, а учитывая долю рынка Apple, можно предположить, что и другие производители смартфонов поддержат NFC, это позволит технологии стать одной из основ Интернета вещей.
Оптические метки и QR-коды. Оптические (распечатываемые) метки — это, в частности, популярный QR-код, успех которого напрямую обусловлен повсеместным наличием устройства считывания (камеры высокого разрешения). QR-код распознается и преобразуется в число, текст или URI, а сами коды распечатываются на многих видах продукции, на рекламных плакатах и купонах, а также демонстрируются в телевизионной рекламе. Но на практике многие рекламные кампании, организованные с использованием QR-кодов, оказываются низкоэффективными. Причина связана с необходимостью наличия на смартфоне специального приложения для считывания QR-кодов, а также с тем, что достаточно сложно расположить смартфон таким образом, чтобы камера могла сфокусироваться и отчетливо снять изображение. Некоторые рекламодатели также могут отказываться от размещения QR-кодов, если они портят эстетику рекламных изображений.
Bluetooth Low Energy (BLE). Это часть стандарта Bluetooth 4.0, принятая ассоциацией Bluetooth Special Interest Group еще в 2010 году, поэтому все смартфоны, вышедшие за последние несколько лет, имеют реализацию BLE в чипсетах Bluetooth и поддерживают ряд соответствующих функций на уровне ОС. Чипсет Bluetooth можно уменьшить, оставив только поддержку BLE и отказавшись от совместимости с обычным Bluetooth. В результате получится компактный недорогой компонент, который можно использовать в качестве малоэнергоемкой электронной метки. Метки на основе BLE могут оповещать о своем присутствии, передавая раз в секунду пакет данных. Энергии на это уходит мало — метка может работать до года на литиевом элементе емкостью 240 мА*ч размером с двадцатипятицентовую монету. Доступность недорогой электроники для меток и наличие ридеров в большинстве смартфонов стали хорошим катализатором применения BLE. Во многих известных ИТ-компаниях и в значительном количестве стартапов экспериментируют с бизнес-моделями, в которых используются подобные метки. Как и другие технологии меток, BLE может способствовать развитию Интернета вещей, поскольку подходит для повсеместного использования, обеспечивает более высокую точность считывания и может встраиваться в изделие, не портя его внешнего вида.
Физическая паутина
В Физической паутине люди и вещи имеют веб-страницы, предоставляющие информацию и средства для взаимодействия с пользователем. Идея применения открытых технологий WWW в качестве моста для связи с физическим миром не нова: точки доступа, маршрутизаторы, солнечные панели, счетчики электричества и кофейни имеют свои веб-страницы. Перспективы Интернета вещей обусловлены в том числе широтой возможностей технологического стека, на котором построена Паутина, и, конечно, HTTP будет не единственным протоколом для связи с вещами, так же как он не является единственным протоколом в Интернете. Имеется масса сценариев, когда у стандартных протоколов WWW нет необходимых свойств, таких, например, какими обладает Real-Time Streaming Protocol.
Физическая паутина, подобно традиционным поисковым системам, возвращает текстовые выдержки и соответствующие ссылки, но поскольку Интернет вещей составляют объекты физического мира, то результаты поиска будут упорядочены не только с помощью традиционных алгоритмов ранжирования, но и по степени близости к пользователю. Они могут быть представлены как в виде списков, так и в форме географических карт или этажных планов. Если поиск по Физической паутине делается внутри дома, то будут выдаваться ссылки на термостаты, цифровые видеорекодеры, телевизоры, аудиосистемы, маршрутизаторы и счетчики электричества. Можно получить ссылку на инструкцию к микроволновой печи наряду с другими ссылками, позволяющими управлять устройствами в вашем доме или получать информацию о них. Результатов будет много, как и при обычном веб-поиске, но алгоритмы ранжирования хорошо справляются с тем, чтобы первыми выдавать самые релевантные результаты.
Веб-страницы отлично подходят для взаимодействия человек — машина, но Интернет вещей во многих случаях будет применяться для межмашинного взаимодействия. Форматы данных, регламентированные в рамках инициатив наподобие Schema.org, позволяют браузерам и облачным сервисам извлекать сведения о событиях, организациях, людях, местах, продуктах и т. п., действуя исходя из полученной информации. Использование структурированных данных также может способствовать единству пользовательских интерфейсов на различных устройствах: к примеру, пользователю не придется каждый раз заново выяснять, как устанавливать время на очередном бытовом приборе.
Открытые веб-технологии, в том числе HTML, Ajax, HTTPS и OpenID, как и структурированные данные, применимы и в Интернете вещей, но у открытого WWW нет эффективного механизма выяснения местонахождения объектов в физическом мире, и действенным здесь представляется подход, состоящий в использовании радиомаячков, транслирующих на малое расстояние адреса URL с помощью сигнала очень низкой мощности. Одной из первых к этой идее обратилась компания HP в рамках проекта Cooltown [3], в котором URL транслировались посредством инфракрасных маячков, а теперь маломощный маячок можно реализовать на базе BLE — он мог бы периодически передавать короткие пакеты-объявления с URL.
Устранить разрыв между физическим и виртуальным миром можно было бы, снабдив все предметы радиомаячками, которые широковещательно транслировали бы URL наряду с другой информацией, помогая обнаружить себя. Казалось бы, на это понадобятся колоссальные средства, но радиомаячки постоянно дешевеют, и похоже, что все будущие «умные» предметы будут ими снабжены. URL-маячки ближнего радиуса действия делают более реальной возможность взаимодействия с Физической паутиной и могут применяться шире, чем NFC и QR-коды.
Облачная и одноранговая связь
Один из давних споров в мире ИТ — что лучше: централизованные или распределенные системы? Сегодня большинство сервисов в WWW основаны на централизованном подходе, но нельзя утверждать, что то же подойдет и для Интернета вещей. На рис. 3 сравниваются централизованный и распределенный подходы — облачные сервисы отвечают первому из них.
Преимущества облаков
В мире компьютеров господствующая парадигма менялась не раз: централизованный мэйнфрейм, децентрализованные персональные компьютеры с автономными приложениями и, наконец, централизованные облачные сервисы, к которым тяготеет отрасль прежде всего потому что ими проще управлять. В числе их преимуществ называются экономия за счет масштаба при построении ЦОД, автоматическое резервное копирование всех данных и физические средства безопасности. Однако современные клиентские устройства отличаются большой мощностью и гибкостью: ноутбуки сегодня оснащаются высокопроизводительными многоядерными процессорами, а смартфоны имеют мощные микропроцессоры. Можно пользоваться несложными клиентскими устройствами, связывающимися с мощными облачными сервисами или полномасштабными локальными приложениями, которым вполне хватает локальных ресурсов. Выбор зависит от того, на какие компромиссы между задержкой, безопасностью, приватностью и стоимостью согласен пользователь. Если допустимы задержки при взаимодействии и перебои в связи, то более привлекательной моделью будут облака. К тому же в связи с ростом количества вредоносных программ на домашних компьютерах облачная схема представляется все более подходящей. Учитывая это, для архитектуры Интернета вещей было бы целесообразным регистрировать каждое устройство в облачном сервисе и связываться только с ним. Взаимодействуя с таким сервисом, пользователи или машины могли бы определять состояние устройства или управлять его поведением.
Преимущества одноранговой схемы
Облачная модель — простая и понятная, но не всегда целесообразно снабжать маломощные устройства полноценными средствами связи с Интернетом. Оборудование, способное напрямую соединяться с Интернетом, требует адаптера кабельной сети Ethernet, приемопередатчика Wi-Fi или сотового модема, что увеличивает его стоимость и расход энергии. Может быть, целесообразнее было бы задействовать один аппаратный мост, поддерживающий Wi-Fi и способный связываться с более простыми периферийными устройствами Интернета вещей. Возможность такой связи сегодня обеспечивается целым рядом стандартов, включая ZigBee, 6LoWPAN, Bluetooth Classic и BLE, причем явного победителя среди них нет. Как и в случае радиометок, шансы выиграть в сегменте маломощных устройств есть у BLE, но на это уйдет какое-то время.
В Интернете вещей, в отличие от традиционного Интернета, можно с пользой задействовать близость устройств. Полезны не только знания о присутствии объектов вблизи — находящиеся рядом устройства могут взаимодействовать друг с другом, выполняя задачи, которые не под силу какому-то одному из них. Компьютер, обнаруживающий поблизости устройство с экраном большей площади и лучшего разрешения, может соединиться с ним по беспроводной технологии при воспроизведении фильма. Компьютер может также использовать компонент, которого у него нет: датчик, камеру или мышь, — если найдет его у устройства по соседству.
Совместное использование находящихся вблизи ресурсов станет важным аспектом Интернета вещей, но для этого потребуются средства, позволяющие устройствам обнаружить друг друга, убедиться в возможности доверять друг другу и установить соединение. Кроме того, понадобятся поддерживаемые на обеих сторонах соединения стандарты на протоколы и форматы данных. Такую стандартизацию сегодня затруднительно провести, поскольку в Интернете сейчас гораздо больше коммерческих предприятий, чем в ранние дни Сети. Традиционный Интернет работает на четко очерченном наборе стандартных протоколов, тогда как мир Интернета вещей более расплывчат — перспективы многих стандартов и проприетарных решений неясны. Например, ассоциация Digital Living Network Alliance работает над тем, чтобы потребительская электроника разных производителей могла обнаруживать друг друга и делиться контентом и сервисами. Однако сегодня технологии DLNA встроены лишь в небольшое количество изделий с поддержкой сетевых функций, поскольку на практике крупные компании стремятся сохранить финансовую выгоду от доминирующего положения проприетарных экосистем на рынке.
Гибридные решения
Для решения проблемы задержки при взаимодействии с облачными сервисами делаются попытки комбинировать различные идеи. В рамках одного из подходов, получившего название «периферийные вычисления» (edge computing), часть облачной обработки переносят ближе к устройствам, которым нужно минимальное время отклика, — тем самым уменьшаются количество транзитных участков сети и, соответственно, задержка. Пример периферийных вычислений — концепция «облачков» (cloudlet), предусматривающая возможность быстро организовать в фиксированной инфраструктуре сервисы реального времени, которыми смартфоны и носимые устройства могут пользоваться по Wi-Fi. Такие сервисы находятся всего в одном транзитном участке сети от мобильных устройств, что достигается с помощью виртуальной машины, работающей на мощной локальной рабочей станции, на которую динамически доставляются специализированное ПО и сервисы для текущей задачи. Когда она выполнена, ресурсы высвобождаются, позволяя создать в облачке один или несколько новых экземпляров виртуальной машины. Облачко, таким образом, позволяет устройствам Интернета вещей в режиме реального времени взаимодействовать с облакоподобными сервисами, действующими вдали от ЦОД.
Интернет вещей и мобильные приложения
Практически любой новый продукт, относящийся к Интернету вещей, сопровождается мобильным приложением для управления — нативные приложения для смартфонов являются самым практичным на сегодня способом обмена информацией с «умными» устройствами, а мобильные приложения давно стали нормой, и люди рассчитывают на то, что смогут пользоваться приложениями для управления устройствами из Интернета вещей. Однако по мере развития ландшафта Интернета вещей могут возникнуть определенные проблемы. Сегодня на смартфонах обычно установлено по несколько десятков приложений, но когда устройств будут миллионы, начнутся сложности. В ближайшем будущем мы начнем ежедневно проходить мимо тысяч умных устройств, поддерживающих возможность электронного взаимодействия, и устанавливать отдельное приложение для работы с каждым из них немыслимо. К тому же придется постоянно удалять приложения по мере установки новых, поскольку будет много устройств, взаимодействие с которыми происходит лишь однократно. Вместо нескольких больших приложений, используемых повседневно для многих задач, пришлось бы держать огромное количество приложений для малых устройств, предоставляющих минимальные интерактивные возможности, — например, для выключателей. Во многих случаях интерактивных функций вообще не будет — может лишь предоставляться небольшой объем информации — скажем, сведения о том, когда к остановке подойдет следующий автобус. Из-за огромного количества потенциальных применений Интернета вещей соответствующие приложения будут сильно уступать по функциональности сегодняшним программам для смартфонов, что было бы нерационально, учитывая мощность последних.
Для создания Физической паутины Интернета вещей нужно сделать так, чтобы любой пользователь с любым смартфоном или планшетом мог, подойдя к любому устройству, начать взаимодействовать с ним, не нуждаясь в специальном приложении. Для этого понадобится расширение WWW, которое позволит любому умному устройству транслировать URL в эфир. Эта передача должна происходить на короткую дистанцию, чтобы любое умное устройство могло получить перечень соседних и взаимодействовать с ними. Соответствующий механизм обнаружения должен оптимально работать как с нативными, так и с веб-приложениями, став новой платформой, универсальным языком общения, позволяющим устройствам любого типа предоставлять данные другим устройствам и взаимодействовать с ними.
Нынешняя модель нативных приложений не предлагает средств поддержки всего разнообразия сценариев применения Интернета вещей — необходимо расширить WWW и другие традиционные системы, создав возможность упрощения взаимодействия устройств и снижения требований к ресурсам.
Перспективы и трудности
Сложно предсказать весь спектр применения Интернета вещей, но основными станут сбор информации, распознавание контекста и управление, а главные сложности будут связаны с приватностью и безопасностью.
0.0 Повсеместная информация
Пользователям нередко нужна помощь, когда они сталкиваются с незнакомым устройством. Раньше товары продавались с бумажной инструкцией, позднее руководство стали размещать на компакт-диске, а сегодня указывается лишь адрес сайта клиентской поддержки, на котором находится вся документация. В эпоху Интернета вещей и Физической паутины все изделия будут транслировать URL, принимаемый на смартфон или планшет.
Распознавание контекста
Один из способов повысить эффективность работы приложения — реализовать распознавание контекста. Знания об окружении устройства и его пользователях, а также о контексте применения помогают приложению фильтровать данные и адаптировать их представление — например, генерировать карту местности, автоматически отображающую текущее местонахождение пользователя. Чем больше контекстных сведений есть у устройства, тем больше будет возможностей автоматически предоставлять пользователю нужную информацию. Худшее, что может сделать распознающее контекст приложение, — это прийти к неверному выводу. Со временем Интернет вещей позволит получать гораздо больше, чем сейчас, информации от веб-сервисов и находящихся поблизости физических датчиков и делиться ею с другими устройствами. В результате уровень точности вырастет — будущие устройства станут намного «умнее».
Действия и контроль
Помимо распознавания контекста, Интернет вещей дает возможность отслеживать предметы физического мира через дисплеи, приводы и переключатели. Многие современные системы снабжаются средствами дистанционного управления, и в Физической паутине любой объект может контролироваться из браузера или через веб-сервис, что упрощает управление объектом с учетом связанных с ним данных. К примеру, оросительные системы, соединенные с WWW, могли бы предоставлять интерфейс для ввода перечня растений в вашем саду и получения через веб-сервисы рекомендаций по уходу за ними.
Приватность и безопасность
Избегать негативных последствий образования всемирной сети взаимосоединенных устройств будет непросто: если не принять мер предосторожности, то злоумышленники через Физическую паутину смогут брать под контроль чужие устройства. В обычном WWW уже есть средства безопасности, которые можно применять и в Физической паутине, но пока неясно, подойдут ли они для всех приложений Интернета вещей. Причиной угроз могут стать непредвиденные утечки информации — например, грабитель cможет определить, что в помещении никого нет, узнав, что дом находится в режиме энергосбережения. По мере роста использования Физической паутины подобные проблемы будут обостряться.
***
Благодаря объединению виртуального WWW с Интернетом вещей появятся по-настоящему «умные» устройства, обеспечивающие интеллектуальную автоматизацию. Главный механизм такого объединения — назначение URI каждому человеку и вещи. Важнейшими двигателями Интернета вещей должны стать средства обнаружения ближних объектов, маячки BLE, транслирующие адреса URI, а в числе привычных технологий, способных стать мостом к Интернету вещей, можно выделить браузеры, которые смогут выводить информацию из WWW вместе с описаниями ближайших объектов Интернета вещей.
Похоже, что Интернет вещей — это действительно возможность усовершенствовать нашу жизнь во многих отношениях, однако для этого необходимо сделать его таким же доступным и полезным, как и традиционный WWW.
Литература
- M. Satyanarayanan. Pervasive Computing: Vision and Challenges. IEEE Personal Comm. — 2001. Vol. 8, № 4. — P. 10–17.
- M. Weiser, The Computer for the 21st Century. Scientific Am. — Sept 1991. Vol. 265, № 3. URL: http://www.scientificamerican.com/article/the-computer-for-the-21st-century/ (дата обращения 15.03.15).
- T. Kindberg et al. People Places and Things: Web Presence for the Real World. ACM J. Mobile Networks and Applications. — 2002. Vol. 7, № 5. P. 365–376.
Рой Уонт (roywant@gmail.com), Бил Шилит (schilit@gmail.com) — научные сотрудники Google; Скотт Дженсон (scott@jenson.org) — разработчик стратегий в области пользовательских интерфейсов Google.