Was Sie über das Internet der Dinge wissen müssen: grundlegendes Bildungsprogramm

Über IoT sagen heute fast alle ("intelligenten") Eisen. Darüber hinaus werden in solchen Gesprächen in der Regel grundlegende Dinge übersehen: Was ist das Internet der Dinge, woraus besteht es und wer kann diese Fragen als „autorisierte Stellen“ beantworten. Inzwischen sind diese Themen sehr relevant. Nehmen wir also an, Ihr (über IoT) „intelligentes“ Eisen - gehört es zum Internet der Dinge? In diesem Beitrag werden wir über die Architektur des Internet der Dinge sprechen: Aus welchen Komponenten es besteht, welche Technologien von besonderer Bedeutung sind, welche Lösungen die Massenbereitstellung vereinfachen können und wer für das IoT in der Welt verantwortlich ist.

Was ist das Internet der Dinge?

Das Forschungsunternehmen Gartner definiert IoT als ein Netzwerk physischer Objekte, die Werkzeuge zur Interaktion mit der externen Umgebung und untereinander sowie zum Senden von Informationen über ihren Zustand und zum Empfangen von Befehlen enthalten.

McKinsey bietet eine weniger abstrakte Definition: IoTs sind Sensoren und Laufwerke, die in physische Geräte eingebettet und über drahtgebundene oder drahtlose Netzwerke mit dem Internet verbunden sind.

An der Entwicklung des Internet der Dinge sind nicht nur Gerätehersteller, sondern auch spezialisierte Organisationen beteiligt, darunter die International Telecommunication Union (ITU), das Industrial Internet Consortium und die IETF.

In den Y.2060-Empfehlungen der International Telecommunication Union mit dem Titel " Überblick über das Internet der Dinge" erscheint das Internet der Dinge als "globale Infrastruktur, die anspruchsvolle Dienste bietet, indem physische und virtuelle Dinge auf der Grundlage vorhandener und der Entwicklung interoperabler Informations- und Kommunikationstechnologien miteinander verbunden werden." Eine Sache in dieser Definition bedeutet ein Objekt der physischen oder virtuellen Welt, das identifiziert und mit Kommunikationsnetzwerken verbunden werden kann. Ein Gerät im Kontext von IoT ist ein Gerät, das über die erforderlichen Kommunikationsfähigkeiten verfügt und Daten messen, unter bestimmten Bedingungen arbeiten, Daten eingeben, speichern und verarbeiten kann.

Arten von IoT-Geräten und ihre Interaktion. Quelle: ITU-T Y.4000 / Y2060

Wie vom Sektor Telekommunikationsstandardisierung der International Telecommunication Union (ITU-T) empfohlen, ist IoT ein Netzwerk von Geräten, die eng mit Dingen verbunden sind. Berührungen und Aktuatoren interagieren mit physischen Dingen in der Umgebung. Datenerfassungsgeräte lesen Informationen von physischen Dingen oder schreiben sie in physische Dinge und interagieren mit Datenübertragungsgeräten oder Datenträgern, die mit einem physischen Objekt verbunden oder verbunden sind.

Mit anderen Worten, IoT ist:

Physische / virtuelle Objekte
+
Steuerungen / Sensoren / Aktoren
+
das Internet

Somit ist eine physische Instanz eines IoT-Elements ein Objekt, das

• intelligent: verfügt über einen Mikrocontroller und eine Software zur Steuerung;
• kann informieren oder handeln: enthält einen Sensor zum Messen physikalischer Parameter oder einen Aktuator, dessen Betrieb gesteuert werden kann;
• über das Netzwerk verfügbar.

Die Empfehlungen für Y.2060 enthalten auch das IoT-Referenzmodell, das als Grundlage für die Standardisierung dient. Die Referenzarchitektur gibt Entwicklern ein Verständnis dafür, welche Funktionen im IoT benötigt werden und wie sie interagieren.


IoT-Referenzmodell. Quelle: ITU-T Y.4000 / Y2060

Die IoT-Architektur wird auch vom IoT World Forum (IWF) entwickelt. Dies ist eine jährliche Veranstaltung, an der Vertreter von Wirtschaft, Staaten und Wissenschaft teilnehmen. Das IWF Architecture Committee veröffentlichte 2014 seine Version des IoT-Referenzmodells. Es ergänzt die von ITU-T vorgeschlagene Option sehr gut, da die IWF nicht nur die Ebenen der Geräte und des Gateways berücksichtigt, sondern auch die oberen Ebenen, die für die Anwendungsentwicklung, Middleware und den Support für das industrielle Internet der Dinge wichtiger sind.


IoT-Referenzmodell nach IWF. Quelle: Cisco

Was sind die Schlüsselelemente des IoT?

Das erste sind Protokolle. Internet-Standard-Protokolle erweisen sich entweder als redundant für das Internet der Dinge oder bieten nicht die erforderlichen Eigenschaften für Fälle, in denen eine kurze Antwortzeit und eine hohe Netzwerkzuverlässigkeit erforderlich sind. Darüber hinaus weisen IoT-Geräteprozessoren normalerweise eine geringe Leistung auf, um den Stromverbrauch niedrig zu halten. Dies erfordert die Entwicklung von Netzwerkprotokollen, die speziell auf die Verwendung im Internet der Dinge zugeschnitten sind.

Daran sind mehrere Arbeitsgruppen innerhalb der IETF und des W3C beteiligt. Beispielsweise wird die Anpassung von IPv6 für Hostnetzwerke mit begrenzten Ressourcen von der 6lo-Arbeitsgruppe übernommen. Diese Gruppe erbte die Entwicklung der 6LoWPAN-Gruppe, die Methoden zum Komprimieren von Paket-Headern und zur Optimierung der Nachbarerkennung entwickelte. Die 6lo-Gruppe konzentriert sich auf ein breiteres Spektrum von Protokollen: Bluetooth Low Energy, ITU-T G.9959, DECT Ultra Low Energy sowie das MS / TP-Protokoll für RS-485-Netzwerke.

Die Liste anderer IETF IoT-Arbeitsgruppen und deren Funktionsweise sieht folgendermaßen aus:

• DICE - DTLS in eingeschränkten Umgebungen - TLS / DTLS-Profil, geeignet für Geräte mit begrenzten Ressourcen;
• ACE - Authentifizierung und Autorisierung für eingeschränkte Umgebungen - (RFC
• 7744) - Authentifizierungsmechanismen für den Zugriff auf Ressourcen in eingeschränkten Umgebungen;
• COSE - CBOR-Objektsignierung und -verschlüsselung - Vereinfachte CBOR-Analoga
• zum Signieren und Verschlüsseln;
• 6TiSCH - IPv6 über den TSCH-Modus von IEEE 802.15.4e - IPv6-Implementierung für Time-Slotted Channel Hopping;
• LWIG - Lightweight Implementation Guidance (RFC 7228) - allgemeine Terminologie für Netzwerke mit begrenzten Knoten (CoAP und IKEv2);
• ICNRG - Information-Centric Networking - Anwendbarkeit von Technologien für IoT-Szenarien;
• CFRG - Crypto Forum - Grundlegende Verschlüsselungsmethoden für IoT.

Nicht weniger wichtige Technologie für das Internet der Dinge ist die Verbindung der fünften Generation. Die Implementierung vieler IoT-Nutzungsszenarien erfordert ein Upgrade der Datennetze auf 5G. Netzwerke der fünften Generation können die Latenz reduzieren und sich an Anwendungen mit mehreren Verbindungen anpassen, den Stromverbrauch senken und eine enorme mobile Datenübertragungsrate erzielen: über 10 Gbit / s. In diesem Fall wird die Signalverzögerung in 5G auf 1 ms reduziert. Zum Vergleich: In 4G beträgt die Verzögerung 10 ms und in 3G - 100 ms.

Sensoren befinden sich am unteren Rand des Technologie-Stacks, aus dem das IoT-Referenzmodell besteht. Sie bieten die Interaktion zwischen physischer und virtueller Welt, sammeln analoge Daten und wandeln sie in digitale Form um. Um die gesammelten Informationen zu übertragen, stellen die Sensoren eine Verbindung zum Netzwerk her und interagieren mit Servern und Gateways über die Protokolle Bluetooth, NFC, RF, Wi-Fi, LoRaWAN und NB-IoT.


Verschiedene Arten von Sensoren. Quelle: CircuitDigest

Die Sensoren selbst erfassen nur die physikalische Größe und wandeln den gemessenen Wert in ein digitales Format um, um ihn an den Mikrocontroller zu senden, der der „intelligente“ Teil des Sensors ist.


Infrarotsensor der IR-Sensorplatine Toshiba 32C100U2

Die Entwicklung der Technologie macht Sensoren sehr kompakt. Beispielsweise hat der von Bosch Sensortec hergestellte 14-Bit-Beschleunigungssensor BHA250 Abmessungen von 2,2 × 2,1 × 0,95 mm, enthält jedoch auch einen 32-Bit-Mikrocontroller.

Schließlich spielen IoT-Plattformen eine entscheidende Rolle. Laut einem McKinsey- Bericht hängen etwa 40% des wirtschaftlichen Werts von IoT mit der Interoperabilität zusammen, dh wie Geräte miteinander interagieren können. Um alle Vorteile des Internet der Dinge aufzuzeigen, sind nicht nur schnelle Kommunikationskanäle und kostengünstige Protokolle erforderlich, sondern auch die Standardisierung aller Ebenen der IoT-Funktionsweise gemäß Referenzmodellen.

IoT-Plattformen beseitigen teilweise die Schwere dieses Problems, es gibt jedoch keine Einheit zwischen ihnen. Bis Mitte 2017 hat IoT Analytics 450 Unternehmen gezählt , die ihre IoT-Plattformen anbieten. Diese Zahl ist weniger als die Liste der weltweit hergestellten IoT-Geräte, aber mehr als genug, um Kompatibilitätsprobleme zu verursachen.

Was sind IoT-Plattformen und warum werden sie benötigt?

Kurz gesagt, dies sind Lösungen, die eine einheitliche Konnektivität zwischen IoT-Endgeräten und Datenverarbeitungsdiensten bieten. Und um zu erklären, warum sie wichtig sind, werden wir von weitem beginnen.

Eine Cisco- Studie ergab, dass 75% der IoT-bezogenen Projekte fehlschlagen. An der Umfrage nahmen mehr als 1800 Führungskräfte und IT-Verantwortliche teil. Ziel der Umfrage war es, die Haupthindernisse für die Einführung des Internet der Dinge in Unternehmen zu ermitteln. Nach den Ergebnissen der Studie sind die Kosten und der Zeitpunkt von Projekten die Haupthindernisse für Organisationen, die IoT implementieren möchten. Ein weiterer Stoppfaktor war das begrenzte Expertenwissen der Mitarbeiter.

Diese Probleme können durch die Verwendung von Lösungen behoben werden, die eine einheitliche Interaktion zwischen IoT-Endgeräten und Datenverarbeitungsdiensten, denselben IoT-Plattformen, ermöglichen.

Lassen Sie uns erklären: Wenn das Unternehmen bereits über eine Geräteflotte verfügt, muss diese bei der Implementierung von IoT an die neue Infrastruktur angeschlossen werden. Gleichzeitig können einige der "alten" Geräte ihre Produktionsfunktionen recht erfolgreich erfüllen, jedoch keine Verbindung zum Internet herstellen. Das Ersetzen solcher Geräte durch IoT-kompatible Geräte verursacht hohe Kosten. Dies verlängert die Amortisationszeit, da Sie voll funktionsfähige Maschinen und Baugruppen abschreiben müssen.

Aber selbst wenn das Gerät mit IoT kompatibel ist, bleibt die Frage, welche Daten gesammelt und verwendet werden müssen, wie eine eingehende Analyse der gesammelten Informationen durchgeführt und umgehend Feedback gegeben werden kann. IoT-Plattformen bieten lediglich eine nahtlose Integration von Hardware über verschiedene Arten von Verbindungen, Datenübertragung zu verbundenen Geräten oder zwischen diesen.

IoT-Plattformen werden von vielen Hightech- und IT-Unternehmen angeboten. Die Entwicklung von Toshiba zur Integration von IoT-Geräten und -Diensten heißt SPINEX. Bei der Entwicklung der SPINEX IoT-Plattform wurde die umfassende Erfahrung von Toshiba in den Bereichen Energie, Herstellung von Halbleiterkomponenten sowie im Bereich Internet der Dinge, künstliche Intelligenz, Sprach- und Videoerkennung (dh in allem, worüber wir bei Habr regelmäßig sprechen) genutzt.


SPINEX-Plattform. Quelle: Toshiba

SPINEX bietet einen einzigen Bereich zum Sammeln von Daten von angeschlossenen Geräten, Geräten und Produkten, zum Speichern, Visualisieren und Analysieren gesammelter Daten. Durch die Verwendung einer offenen Architektur kann SPINEX mit verschiedenen Cloud-Anbietern und -Geräten zusammenarbeiten. Die Plattform bietet Benutzern drei Schlüsseltechnologien:

• Peripherie-Computing: Um die Netzwerklatenz zu minimieren und eine komplexe Datenverarbeitung durchzuführen, unterteilt SPINEX den Prozess in zwei Teile: Grundlegende Vorgänge werden in Echtzeit auf Edge-Geräten ausgeführt, und erweiterte Analysen werden von leistungsstarken Servern in der Cloud-Infrastruktur durchgeführt.
• Digital Doubles: SPINEX verwendet künstliche Intelligenz, um digitale Modelle realer Objekte zu erstellen, mit denen Sie Änderungen in der Umgebung effektiver überwachen und die erforderlichen Befehle an Geräte übertragen können.
• Medienanalyse: Mit der Medienanalysetechnologie von Toshiba werden Sprache und Bilder genau identifiziert.

2016 hat Toshiba das SPINEX-basierte Cloud-Service IoT Standard Pack eingeführt. Der Dienst ist eine einheitliche Lösung für viele Aufgaben im Zusammenhang mit dem Internet der Dinge. Sie können damit schnell ein IoT-Netzwerk im Unternehmen bereitstellen, indem Sie mithilfe von Vorlagen Daten sammeln und Geräte mithilfe der Plug-n-Play-Technologie schnell mit der IoT-Infrastruktur verbinden.

Wie relevant ist das alles und wohin geht der IoT-Markt?

Manchmal scheint die mutige Welt des Internets der Dinge nichts anderes als ein fantastisches Bild zu sein. Es ist nicht so. Einem Fortune Business Insights-Bericht zufolge wird der weltweite Markt für das Internet der Dinge im Wert von 190 Milliarden US-Dollar im Jahr 2018 bis 2026 1,11 Billionen US-Dollar erreichen, was einer kombinierten Wachstumsrate von 24,7% pro Jahr entspricht.


IoT-Marktvolumenprognose für 2018-2026. Quelle: Fortune Business Insights

Das größte Marktsegment wird voraussichtlich der Bankensektor und der Finanzdienstleistungssektor sein.

Analysten von Gartner berichten, dass 2019 die Anzahl der IoT-Geräte 14,2 Milliarden erreichte. Das Unternehmen prognostiziert außerdem, dass die Anzahl der angeschlossenen Geräte bis 2025 25 Milliarden erreichen wird.


IDC-Prognose für das Wachstum der IoT-Konnektivität

IDCs geben eine noch optimistischere Prognose ab : Bis 2025 werden 152.200 Geräte pro Minute mit dem Internet der Dinge verbunden. Wenn wir 152.200 mit 525.600 (die Anzahl der Minuten pro Jahr) multiplizieren, erhalten wir, dass das Internet der Dinge im Jahr 2025 etwa 80 Milliarden Geräte enthalten wird.

Laut der IoT-Studie bleibt das von Juniper Research, Nordamerika, Westeuropa, Fernost und China veröffentlichte Internet of Transformation 2018 wichtige IoT-Märkte. Diese Regionen werden mehr als 60% aller Einnahmen im Zusammenhang mit dem Internet der Dinge bereitstellen.