УДК 004.738, 004.62
ББК 32.973
Л55
Л55 Архитектура интернета вещей / пер. с анг. М. А. Райтмана. – М.: ДМК
Пресс, 2020. – 454 с.: ил.
Ли П.
ISBN 978-5-97060-784-8
Книга посвящена всем аспектам использования интернета вещей с примерами
его применения в различных сферах, включая промышленность, умные города,
транспортную систему и здравоохранение. Это наиболее подробное руководство
в данной области на русском языке, которое рекомендуется всем отраслевым
специалистам Ассоциацией интернета вещей в России. Вы получите полное представление
об экосфере интернета вещей, различных технологиях и альтернативах,
а также сможете рассмотреть IoT-архитектуру со всех ракурсов.
Издание будет полезно для архитекторов и проектировщиков информационных
систем, технических специалистов и менеджеров по технологиям.
УДК 004.738, 004.62
ББК 32.973
Authorized Russian translation of the English edition of Internet of Things for Architects
ISBN 781788470599 © 2018 Packt Publishing.
This translation is published and sold by permission of Packt Publishing, which owns or
controls all rights to publish and sell the same.
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой
бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения
владельцев авторских прав.
ISBN 978-1-78847-059-9 (анг.)
ISBN 978-5-97060-784-8 (рус.)
Copyright © 2018 Packt Publishing
© Оформление, издание, перевод, ДМК Пресс, 2020
Стр.5
Содержание
Об авторе ...........................................................................................................13
О рецензенте ....................................................................................................14
Предисловие ....................................................................................................15
Глава 1. История интернета вещей .........................................................21
История развития интернета вещей ...................................................................25
Перспективы развития интернета вещей ...........................................................26
Индустрия и производство ..............................................................................30
Потребитель ......................................................................................................31
Розничная торговля, финансы и маркетинг ...................................................31
Медицина ..........................................................................................................32
Транспортировка и логистика .........................................................................33
Сельское хозяйство и окружающая среда .......................................................34
Энергетика ........................................................................................................35
Умный город .....................................................................................................36
Правительство и армия ....................................................................................37
Заключение ...........................................................................................................38
Глава 2. Архитектура и ключевые модули интернета вещей ......39
Экосистема интернета вещей ..............................................................................40
Интернет вещей против межмашинного взаимодействия ...........................41
Полезность сети и законы Меткалфа и Бекстрома.........................................42
Архитектура интернета вещей ........................................................................44
Роль архитектора ..............................................................................................46
Часть 1. Датчики и питание .................................................................................46
Часть 2. Передача данных ....................................................................................47
Часть 3. Интернет-маршрутизация и протоколы ...............................................48
Часть 4. Туманные и граничные вычисления, аналитика и машинное
обучение ................................................................................................................49
Часть 5. Угроза и безопасность в интернете вещей............................................50
Заключение ...........................................................................................................50
Глава 3. Датчики, оконечные точки и системы питания ................51
Сенсорные устройства ..........................................................................................52
Термопары и температурные датчики ...........................................................52
Эффект Холла и датчики тока ..........................................................................55
Стр.6
6 Содержание
Фотоэлектрические датчики ...........................................................................56
Датчики PIR .......................................................................................................57
LiDAR и активные датчики ..............................................................................58
Датчики MEMS ..................................................................................................60
Интеллектуальные оконечные точки IoT ...........................................................64
Видеосистема ....................................................................................................65
Слияние датчиков .................................................................................................67
Устройства ввода ..................................................................................................68
Устройства вывода ............................................................................................68
Функциональные примеры (все вместе).............................................................69
Функциональный пример – TI SensorTag CC2650 ..........................................69
Между датчиком и контроллером ...................................................................71
Источники энергии и управление питанием .....................................................73
Управление питанием ......................................................................................73
Воспроизводство электроэнергии ...................................................................74
Хранилище энергии .........................................................................................80
Заключение ...........................................................................................................85
Глава 4. Теория коммуникации и информации ..................................86
Теория коммуникации .........................................................................................87
Радиочастотная энергия и теоретический диапазон .....................................87
Радиочастотная интерференция .....................................................................91
Теория информации .............................................................................................93
Пределы битрейта и теорема Шеннона-Хартли .............................................93
Частота битовых ошибок .................................................................................97
Узкополосная и широкополосная связь ........................................................100
Радиоспектр ........................................................................................................102
Управляющая структура .................................................................................103
Заключение .........................................................................................................106
Глава 5. Беспроводная персональная сеть (WPAN)
не на основе IP ..............................................................................................107
Стандарты беспроводной персональной локальной сети ...............................108
Стандарты 802.15 ............................................................................................108
Bluetooth ..........................................................................................................109
IEEE 802.15.4 ....................................................................................................143
Zigbee ...............................................................................................................151
Z-Wave ..............................................................................................................160
Заключение .........................................................................................................166
Глава 6. WPAN и WLAN на базе IP ..........................................................167
Протокол интернета и протокол управления передачей ................................167
Роль протокола IP в интернете вещей ..........................................................168
Стр.7
Содержание 7
WPAN с IP – 6LoWPAN .........................................................................................170
Топология 6LoWPAN .......................................................................................171
Стек протокола 6LoWPAN ..............................................................................173
Адресация и маршрутизация в mesh-сети ...................................................174
Сжатие и фрагментация заголовка ...............................................................176
Обнаружение соседей .....................................................................................178
Безопасность 6LoWPAN ..................................................................................179
WPAN с IP – Thread .............................................................................................180
Архитектура и топология Thread ...................................................................180
Стек протокола Thread ...................................................................................182
Маршрутизация Thread ..................................................................................182
Адресация Thread ...........................................................................................183
Обнаружение соседа .......................................................................................184
Протоколы IEEE 802.11 и WLAN .........................................................................184
Обзор и сравнение протоколов IEEE 802.11 .................................................185
Архитектура IEEE 802.11 ................................................................................188
Распределение спектра IEEE 802.11 ..............................................................189
Методы модуляции и кодирования IEEE 802.11 ...........................................191
IEEE 802.11 MIMO............................................................................................195
Структура пакета IEEE 802.11 ........................................................................199
Работа IEEE 802.11 ..........................................................................................201
Безопасность IEEE 802.11 ...............................................................................203
Протокол IEEE 802.11ac ..................................................................................204
Транспорт-к-транспорту IEEE 802.11p ..........................................................205
Протокол IEEE 802.11ah ..................................................................................208
Заключение .........................................................................................................213
Глава 7. Системы и протоколы дальней связи (ГВС) ......................215
Функциональная совместимость устройств сотовой связи .............................215
Стандарты и модель управления ...................................................................217
Технологии доступа сотовой связи ...............................................................220
Категории абонентского оборудования 3GPP ..............................................222
Распределение спектра и полос частот в 4G LTE ..........................................223
Топология и архитектура сети 4G LTE ...........................................................227
Стек протоколов сети E-UTRAN 4G LTE .........................................................232
Географические области 4G LTE, потоки данных и процедуры
передачи обслуживания .................................................................................233
Структура пакета 4G LTE ................................................................................236
Категории 0, 1, M1 и NB-IoT ...........................................................................237
5G .....................................................................................................................243
LoRa и LoRaWAN .................................................................................................247
Физический уровень LoRa..............................................................................248
Уровень MAC LoRaWAN ..................................................................................250
Стр.8
8 Содержание
Топология LoRaWAN .......................................................................................252
Краткое описание LoRaWAN ..........................................................................252
Sigfox ....................................................................................................................254
Физический уровень Sigfox ............................................................................254
Уровень MAC Sigfox ........................................................................................256
Стек протокола Sigfox .....................................................................................257
Топология Sigfox .............................................................................................258
Заключение .........................................................................................................259
Глава 8. Маршрутизаторы и шлюзы .....................................................262
Функции маршрутизации ..................................................................................262
Функции шлюза ..............................................................................................263
Маршрутизация ..............................................................................................263
Отказоустойчивость и внеполосное управление .........................................267
VLAN ................................................................................................................268
VPN ..................................................................................................................269
Управление скоростью трафика и QoS ..........................................................271
Функции безопасности ..................................................................................273
Метрики и аналитика .....................................................................................275
Обработка на краю .........................................................................................275
Программное сетевое взаимодействие ............................................................276
Архитектура SDN ............................................................................................277
Традиционное межсетевое взаимодействие ................................................279
Преимущества SDN .........................................................................................280
Заключение .........................................................................................................281
Глава 9. IoT-протоколы передачи данных от граничного
устройства в облако ....................................................................................282
Протоколы ...........................................................................................................282
MQTT ...............................................................................................................284
Издание-подписка MQTT ...............................................................................285
Детали архитектуры MQTT ............................................................................287
Структура пакета MQTT .................................................................................290
Форматы соединений MQTT ..........................................................................290
Рабочий пример MQTT ...................................................................................293
MQTT-SN ..............................................................................................................295
Архитектура и топология MQTT-SN ..............................................................296
Прозрачные и собирающие шлюзы ..............................................................297
Широковещательное вещание и обнаружение шлюза ................................297
Различия между MQTT и MQTT-SN ...............................................................297
Ограниченный прикладной протокол ..............................................................298
Детали архитектуры CoAP .............................................................................299
Форматы сообщений CoAP ............................................................................302
Стр.9
Содержание 9
Пример использования CoAP ........................................................................306
Другие протоколы ...............................................................................................307
STOMP..............................................................................................................307
AMQP ...............................................................................................................308
Сводка и сравнение протоколов ....................................................................310
Заключение .........................................................................................................311
Глава 10. Топология облачных и туманных вычислений .............312
Модель облачных сервисов ................................................................................313
NaaS .................................................................................................................314
SaaS ..................................................................................................................314
PaaS ..................................................................................................................315
IaaS ...................................................................................................................315
Публичное, частное и гибридное облако ..........................................................315
Частное облако ................................................................................................316
Публичное облако ...........................................................................................316
Гибридное облако ...........................................................................................316
Облачная архитектура OpenStack ......................................................................317
Keystone – управление идентификацией и обслуживанием ...........................319
Glance – сервис изображений ........................................................................319
Вычисления Nova ............................................................................................319
Swift – хранение объектов ..............................................................................321
Neutron – сетевые сервисы ............................................................................321
Cinder – блочное хранилище .........................................................................322
Horizon .............................................................................................................322
Heat – гармоническое сочетание (опция) .....................................................323
Ceilometer – телеметрия (опция) ...................................................................323
Ограничения облачных архитектур для IoT .....................................................323
Эффект задержки ............................................................................................324
Туманные вычисления .......................................................................................327
Философия Hadoop для туманных вычислений ...........................................327
Сравнение туманных, граничных и облачных вычислений .......................327
Архитектура OpenFog RA ...............................................................................328
Amazon Greengrass и лямбда-функции .........................................................334
Туманные топологии ......................................................................................336
Заключение .........................................................................................................340
Глава 11. Анализ данных и машинное обучение
в облачных и туманных платформах ..................................................342
Простой анализ данных в интернете вещей ....................................................343
Верхний уровень облачной архитектуры .....................................................346
Система правил ..............................................................................................347
Потребление информации: потоки, обработка и озера данных .................350
Стр.10
10 Содержание
Обработка сложных событий .........................................................................353
Lamda-архитектура.........................................................................................354
Промышленное применение .........................................................................355
Машинное обучение в интернете вещей ..........................................................355
Модели машинного обучения .......................................................................361
Классификация ...............................................................................................362
Регрессия .........................................................................................................363
Случайный лес ................................................................................................364
Байесовские модели .......................................................................................365
Сверточные нейронные сети .........................................................................368
Рекуррентные нейронные сети .....................................................................376
Обучение и получение логических выводов в интернете вещей ...............382
Анализ данных в IoT и сравнение/оценка методов машинного
обучения ..........................................................................................................383
Заключение .........................................................................................................385
Глава 12. Безопасность интернета вещей ..........................................386
Общеупотребительные понятия кибербезопасности ......................................387
Термины, связанные с атакой .......................................................................387
Термины, связанные с защитой ....................................................................389
Анатомия кибератак на IoT-устройства ............................................................391
Mirai .................................................................................................................392
Stuxnet .............................................................................................................394
Цепная реакция ..............................................................................................395
Физическая и аппаратная безопасность ...........................................................397
Корень доверия ...............................................................................................397
Управление ключами и модули TPM .............................................................398
Адресное пространство в процессоре и памяти ..........................................399
Безопасность хранения данных ....................................................................399
Физическая безопасность ..............................................................................400
Криптография .....................................................................................................402
Симметричная криптография .......................................................................403
Асимметричная криптография .....................................................................405
Криптографический хеш (аутентификация и цифровая подпись) .............410
Инфраструктура открытого ключа ................................................................411
Сетевой стек: протокол защиты транспортного уровня..............................412
Программно-определяемый периметр ............................................................413
Архитектура программно-определяемого периметра ................................413
Блокчейн и криптовалюта в интернете вещей .................................................416
Bitcoin (блокчейн) ...........................................................................................417
IOTA (направленный ациклический граф) ...................................................421
Правовое регулирование ....................................................................................423
Законопроект об улучшении безопасности интернета вещей
(август, 2017) ...................................................................................................423
Стр.11
Содержание 11
Другие правительственные учреждения ......................................................424
Рекомендации по защите IoT-устройств ..........................................................425
Комплексная безопасность ............................................................................426
Краткий перечень мер безопасности ............................................................427
Заключение .........................................................................................................428
Глава 13. Консорциумы и сообщества .................................................429
Консорциумы по персональным сетям .............................................................429
Bluetooth SIG ...................................................................................................430
Thread Group ...................................................................................................430
Альянс Zigbee ..................................................................................................431
Другое ..............................................................................................................431
Консорциумы по протоколам ............................................................................431
Open Connectivity Foundation и Allseen Alliance ...........................................431
OASIS ...............................................................................................................432
Object Management Group ..............................................................................433
IPSO Alliance ....................................................................................................433
Другое ..............................................................................................................434
Консорциумы по глобальным вычислительным сетям ...................................434
Weightless SIG ..................................................................................................434
LoRa Alliance ....................................................................................................434
Инженерный совет интернета .......................................................................435
Wi-Fi Alliance ...................................................................................................435
Консорциумы по туманным и граничным вычислениям ...............................436
OpenFog ...........................................................................................................436
EdgeX Foundry .................................................................................................437
Специализированные организации ..................................................................437
Консорциум промышленного интернета .....................................................437
Институт инженеров по электротехнике и электронике IoT (IEEE IoT) .....438
Другое ..............................................................................................................438
Американские правительственные организации по вопросам IoT
и безопасности ................................................................................................439
Заключение .........................................................................................................439
Предметный указатель ..............................................................................440
Стр.12