Протоколы промышленного интернета
Анализ проблемы внедрения промышленного интернета в организацию. Построение архитектуры промышленного интернета как вычислительной сети, состоящей из устройств, объединенных с помощью телекоммуникационных технологий. Организация протоколов по уровням.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 20.08.2018 |
| Размер файла | 26,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
|
Электронный научно-практический журнал «МОЛОДЕЖНЫЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» МАЙ 2018 |
|
|
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ |
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
Электронный научно-практический журнал «МОЛОДЕЖНЫЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» МАЙ 2018 |
|
|
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ |
ФГБОУ ВО "Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова"
Протоколы промышленного интернета
Токмакова Н.Р.
Аннотации
Сложность внедрения Промышленного интернета в организацию обусловлено недостатком практического опыта в вопросе построения архитектуры Промышленного интернета как вычислительной сети, состоящей из устройств, объединенных с помощью телекоммуникационных технологий и формирующих систему для мониторинга, сбора, обмена, анализа и доставки полученных данных. Данная статья рассматривает архитектуру Промышленного интернета в целом, делая упор на такой архитектурный аспект как протоколы, посредством которых комплексная структура Промышленного интернета обменивается данными между своими элементами. В качестве организации протоколов по уровням за основу была взята модель OSI. В заключении приводится общая схема, описывающая два основных подхода к формированию стека протоколов: "сверху-вниз" и "снизу-вверх".
Ключевые слова: Промышленный интернет, протоколы, модель OSI
It is difficult to implement the Industrial Internet in the organization due to a lack of practical experience in the developing of such an architecture as a computer network consisting of devices connected via telecommunication technologies that forming a system for monitoring, collecting, sharing, analysis and delivery data. This article considers the architecture of Industrial Internet in general, with an emphasis on such an architectural aspect of the protocols by which a complex structure of Industrial Internet communicates between its elements. As the way to organize protocols by levels, the OSI model was used as the basis. In conclusion, the general scheme describing the two main approaches to the developing of the protocol stack is presented: "top down" and "bottom up" ways.
Keywords: Industrial Internet of Things, protocols, OSI model
Введение
Индустриальный интернет вещей, также известный как Промышленный интернет, объединяет в себе устройства, аналитические функции и людей на производстве. В основе лежит вычислителя сеть, состоящая из множества устройств, объединённых с помощью телекоммуникационных технологий и формирующих систему для мониторинга, сбора, обмена, анализа и доставки таких данных, которые не были доступны посредством иных технологий. Такие данные в итоге участвуют в принятии оперативных и управленческих решений в организации.
Комбинируя коммуникации между машинами (m2m), аналитику больших данных, кибербезопасность, HMI Human Machine Interface и систем SCADA Supervisory Control And Data Acquisition , обеспечивается высокий уровень эффективности, продуктивности и производительности производства, что ведёт к увеличению скорости исполнения бизнес-процессов и финансовым выгодам. Промышленный интернет особо выгоден для организаций, работающих в сферах нефти, газа, энергетики, авиации, производства различных товаров.
Примеров того, как Промышленный интернет меняет производство, множество. Так, появляется возможность предсказать время появления коррозии внутри нефтеперерабатывающей трубы с помощью аналитических прогнозов, полученных из собранных данных. Другой вариант - это поиск дополнительных мощностей на заводе на основе обработки данных в реальном времени. Промышленный интернет позволяет поднять контроль над производством на новый уровень и управлять работой систем управления с целью предотвращения кибератак. [1]
Ключевая сложность выбора технологии для работы с Промышленным интернетом заключается в разрастающемся рынке открытых и проприетарных технологий. Это проблема в общем для всего Интернета вещей, и, в частности, Промышленного интернета, потому что техническая база для данных разновидностей интернета одинакова. Данный факт ведет к тому, что анализ предлагаемых протоколов для реализации взаимодействия датчиков с отслеживаемым процессом и коммуникационной сетью актуален в виду широкого спектра предлагаемых возможностей и технологий.
Представление о том, что Промышленный интернет является тем же самым, что и Интернет вещей, заблуждение. Очень важно контролировать работу промышленного интернета с целью исключения незапланированных простоев или отказов в обслуживании, иначе это может привести к опасным для жизней и/или организации ситуациям. Поэтому в рамках Промышленного интернета необходимо учитывать вопросы безопасности и отказоустойчивости с большим вниманием.
Яркий пример отличия может заключаться в следующем: Промышленный интернет предоставляет устройства, которые сообщают оператору, насколько производство оптимизировано на текущий момент или о вероятности отказа в обслуживании, который может произойти в ближайшее время. Это потенциально приводит к экономии финансовых ресурсов организации. В это время Интернет вещей работает с холодильником, который заказывает необходимые продукты перед тем, как они закончатся. Он создан и развивается для улучшения уровня жизни в рамках широкого спектра вопросов.
протокол промышленный интернет архитектура
Консорциум Промышленного интернета
Консорциум Промышленного интернета был основан в 2014 году такими организациями, как Cisco, Intel, AT&T, General Electronics и IBM с целью устранить различия между схожими технологиями, которые могут помочь интегрировать физическую и цифровую среду. В 2017 году к консорциуму присоединилась организация SAS. [2]
Участники консорциума считают, что Промышленный интернет - это не только о производстве, но и о широком спектре других технологий, таких как беспилотные автомобили, системы удаленного сбора медицинских показателей, системы водоснабжения со специальными датчиками и множество других систем, имеющих отношение к интеллектуализации города.
В этом различие подхода двух схожих концепций: концепция Industry 4.0, которая фокусируется на производственной сфере, и концепция, представленная консорциумом, которая расширяет рассматриваемые области до таких сфер, как медицина, сельское хозяйство, транспорт и другие. [3]
Несмотря на небольшие различия в рассмотренных подходах, технологии, анализируемые в данной статье, не сильно отличаются друг от друга в зависимости от сферы применения. Так, выбор протоколов будет зависеть от технического и программного обеспечения, формирующие архитектуру разворачиваемого Промышленного интернета.
Архитектура Промышленного интернета
Основу Промышленного интернета составляют датчики (сенсоры) и приводы. Они должны быть объединены в сеть. Данные устройства, как было сказано выше, имеют интерфейс обмена данными с коммуникационной сетью и интерфейс для физического взаимодействия с процессов, с которым они работают.
Задача датчиков и сенсоров заключается в сборе такой информации, как физические характеристики (температура, давление, сила тока и другие), присутствие химических веществ, события (изменение и перемещение объектов). Сенсоры часто интегрированы с микросхемами.
Назначение приводов - контроль за физическими объектами и управление ими. Это могут быть моторы, клапаны или переключатели, которые запрограммированы на выполнение определённого действия без непосредственного участия человека. Приводы состоят из механического, пневматического, гидравлического или электрического компонента, выполняющего заложенную функцию, а также электронный блок управления. [3]
Детали работы по обмену данными в Промышленном интернете можно рассмотреть на основе существующих протоколов в разрезе некоторых уровней модели OSI.
Протоколы физического и канального уровней
Коммуникационный интерфейс обеспечивает передачу собранных данных с различными сервисами. Он может быть проводным или беспроводным. На данный момент подавляющее количество подключений - проводные. Это обусловлено тем, что большая часть приложений Промышленного интернета чувствительна к времени выполнения и невозможности потери данных при передаче. В данном случае используется Ethernet - технология проводной пакетной передачи данных, который отвечает не только за физическую передачу, но и за формат посылаемых кадров и управлением доступом к среде. Сам провод является витой парой, коаксиальным или оптическим кабелем.
Для некритичных приложений, используемых в Промышленном интернете, отвечающие за конфигурирование, передачу дополнительных данных, поддержки мобильных приложений сотрудников и другие аспекты, используют беспроводные технологии. Также беспроводные технологии стремятся внедрять и в производственный процесс. Так, необходимо решить вопрос разработки защиты от статического электричества, определить возможность использования ячеистой топологии сети с целью снижения задержек и времени реконфигурирования сети и применения алгоритмов параллельной передачи данных с целью исключения потери пакетов. Учитывая тот факт, что датчики и другие элементы архитектуры являются устройствами с низким потреблением энергии для поддержания длительной автономной работы, они формируют собой распределенную сеть с низким электропотреблением - LPWAN Low-Power Wide Area Network . Одна из технологий для такой сети - Sigfox, разработана во Франции и уже развернута на основе 1200 базовых станций внутри страны, а также развивается в других европейских странах. В отличие от сетей GSM Global System for Mobile Communications , данная технология дешевле, потребляет меньше электроэнергии и работает на больших расстояниях. [4] Это достигает за счет переноса вычислительных мощностей по обработке данных переносится в облако, а не осуществляется на устройствах.
На территории России и других стран развивается технология LoRa. Такое же название носит метод модуляции, заключающийся в технике расширения спектра и вариации линейной частотной модуляции. Таким образом, приемник становится устойчивым к отклонениям частоты от номинального значения, а требования к тактовому генератору упрощаются, что позволяет использовать дешевые кварцевые резонаторы. LoRa также использует прямую коррекцию ошибок.
Эти и другие технологические решения делают данную технологию возможной для использования в условиях необходимости низкого потребления электроэнергии и высокой устойчивости связи на больших расстояниях. На основе технологии LoRa был разработан открытый протокол LoRaWAN. [5]
Протоколы сетевого уровня
Для идентификации каждого устройства в сети используют протокол IP. Учитывая большое количество устройств, которые внедряются в сеть Промышленного интернета, количество адресов, предоставляемые IPv4, недостаточно для присваивания уникального идентификатора каждому датчику или приводу. Здесь становится актуальным использование IPv6, где адрес был увеличен до 128 битов. К дополнительным положительным сторонам данного протокола можно отнести механизм самоконфигурирования, то есть возможность для узлов определять свой адрес автономно. Таким образом, на производстве может находиться огромное число датчиков и приводов, но при этом нет необходимости конфигурировать каждый из них отдельно вручную. [6]
На основе IPv6 разработан стандарт 6LoWPAN IPv6 Low-Power Wireless Personal Area Network , который позволяет использовать IPадресацию наряду с малой мощностью, позволяющей экономить потребление энергии. Также стандарт поддерживает большие ячеистые топологии сетей, о необходимости использования которой уже говорилось выше.
Различают следующие типы сетей, построенных на данном стандарте: ad-hoc, простая и расширенная. [7] Ad-hoc не имеет граничного маршрутизатора, поэтому такая сеть не подключена к какой-либо внешней сети. Такая сеть является самоорганизующейся. Простая сеть подключена к другой, внешней, сети с помощью одного граничного маршрутизатора. Расширенная сеть состоит из одной и более подсетей, которые подключены к внешним сетям посредством нескольких граничных маршрутизаторов, подключенных к одной сети. Необходимо отметить, что все внешние сети должны поддерживать стандарт IP.
Протоколы транспортного уровня
После идентификации адреса и установления маршрута передачи данных необходимо их, собственно, передать, за что и отвечает транспортный уровень и два основных протокола - TCP и UDP.
TCP Transmission Control Protocol - протокол транспортного уровня, ориентированный на установление соединения между клиентом и сервером. Это позволяет контролировать факт получения данных приемником, правильность этих данных. Также протокол устраняет дублирование пакетов, что обеспечивает целостность получаемых данных. При потере пакетов во время передачи, протокол организует повторную отсылку. Все эти положительные стороны протокола приводят к дополнительным издержкам, которые могут оказаться критичными для приложений, чувствительных ко времени. Именно для таких приложений был разработан протокол UDP User Datagram Protocol , который работает без предварительной установки соединения. Такой подход уменьшает время передачи и увеличивает эффективность, но снижает надежность передачи, когда пакеты могут дублироваться, приходить в неправильном порядке или вообще быть утерянными. [8]
Протоколы прикладного уровня
В рамках Промышленного интернета существует ряд различных протоколов прикладного уровня. Выбор подходящего для конкретной ситуации зависит от протоколов нижележащих уровней и модели передачи данных.
MQTT Message Queue Telemetry Transport - легковесный протокол для промышленных и мобильных приложений, который хорошо работает в условиях ограниченной пропускной способности сети и необходимости в низком электропотреблении, что требуется со стороны датчиков, приводов и коммуникаций между ними. Например, промышленный датчик температуры, работающий на батареях, не может себе позволить устанавливать связь с сервером каждый раз, когда ему потребуется передать данные в облако.
MQTT работает поверх TCP и основан на модели "издатель-подписчик" (publish subscriber model). [8] В рамках данной модели клиент передает третей стороне - брокеру - данные, которые были им собраны, например, температуру, а брокер в свою очередь отправляет эти данные другому клиенту, который заранее сообщил, что он заинтересован в таких данных. Таким образом, одни и те же данные могут быть отправлены сразу нескольким получателям, что обеспечивает многоадресную рассылку. Более того, такая модель легко масштабируется путем просто добавления издателя или подписчика к брокеру.
Другой протокол - CoAP Constrained Application Protocol - работает поверх UDP и очень схож по структуре с протоколом HTTP. Он был специально создан для работы в среде с ограниченной пропускной способностью и потреблением энергии, но требующей быстрой и постоянной передачи данных, что обеспечивается работой c UDP. Достаточно часто можно обнаружить случаи работы CoAP в вопросах обмена данными между устройствами или устройствами и шлюзами, а HTTP - между шлюзами и облаком. Так, даже интерфейсы прикладного программирования для данных двух протоколов очень схожи.
Итак, два рассмотренных протокола хорошо работают на основе датчиков и приводов для передачи данных брокеру или шлюзам. Для выбора того или иного протокола необходимо учесть, какой транспортный протокол планируется использовать. Так, MQTT больше подходит для работы с коммуникацией, основанной на событиях, когда данные отправляются партией в определенные промежутки времени с использованием надежного канала связи, который обеспечивает протокол TCP. В свою очередь CoAP хорошо подходит для непрерывной передачи данных, осуществляемой с целью постоянного отслеживания состояния контролируемой среды. Тогда UDP обеспечивает хорошую скорость, а редкая потеря данных вполне терпима. К тому же, если имеется необходимость в отслеживании данных через веб-сервис, например, для отображения актуальных данных в приложении на мобильном телефоне работника, то HTTP может отвечать за это в рамках передачи данных от шлюза к облаку, а как уже говорилось выше, данные на шлюз доставляет CoAP.
Выводы
Для формирования определенного стека протоколов, который работал бы на основе конкретной реализации Промышленного интернета необходимо учесть многие архитектурные вопросы. Необходимо провести анализ уже имеющегося аппаратного и программного обеспечения организации и дать оценку оптимальности продолжения работы с имеющемся оборудованием и программами с точки зрения масштабируемости, надежности и простотой реализации необходимых технологий.
В случае определения потребности в изменениях существующей архитектуры, необходимо решить, в какой модели контроля за данными нуждается организация - событийной или непрерывной - и исходя из этого выбирать протокол прикладного уровня - MQTT или CoAP, а дальше формировать стек сверху-вниз.
При принятии решения о том, что можно начать работу по реализации Промышленного интернета на базу существующего обеспечения, формировать стек протоколов следует снизувверх. Необходимо учитывать совместимость протоколов между собой. Например, стандарт 6LoWPAN не может работать с транспортным протоколом TCP.
После определения стека протоколов, можно перейти к принятию решений и их оценке по другим вопросам, критично важных для Промышленного интернета, таких как безопасность, отказоустойчивость, дополнительное аппаратное и программное обеспечение.
Список литературы
1. Everything You Need to Know About the Industrial Internet of Things. // GE Digital URL: https: // www.ge.com/digital/blog/everything-you-need-know-about-industrial-internet-things (дата обращения: 28.03.2018).
2. Консорциум промышленного Интернета // TAdviser URL: http://www.tadviser.ru/index. php/Компания: Консорциум_промышленного_Интернета_ (Industrial_Int ernet_ConsortiumTM,_IIC) (дата обращения: 28.03.2018).
3. Промышленный интернет вещей. // Журнал сетевых решений/LAN | Издательство "Открытые системы" URL: https: // www.osp.ru/lan/2016/09/13050308 (дата обращения: 28.03.2018).
4. Sigfox Technology Overview. URL: https: // www.sigfox.com/en/sigfox-iot-technologyoverview (дата обращения: 31.03.2018).
5. Что такое LoRa. URL: http://lo-ra.ru/lora/ (дата обращения: 31.03.2018).
6. IPv6 for IoT. URL: https: // iot6. eu/ipv6_for_iot (дата обращения: 31.03.2018).
7. 6LoWPAN - взгляд на беспроводные IP-сети от Texas Instruments. // Compel URL: https: // www.compel.ru/lib/ne/2012/1/8-6lowpan-vzglyad-na-besprovodnyie-ip-seti-ot-texas-instruments (дата обращения: 31.03.2018).
8. (I) IoT protocols. // SAP Blogs URL: https: // blogs. sap.com/2017/10/22/iiot-protocols-forbeginners/ (дата обращения: 01.04.2018).
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Развитие компьютерной техники. Начало Интернета. Уровни Интернета. Доменные зоны. Сервисы Интернета. Программы-браузеры. Поисковые системы. Вирусы. Проблемы развития Интернета в Беларуси. Каким будет компьютер будущего?
реферат [935,6 K], добавлен 12.05.2006Развитие компьютерной техники. Начало Интернета. Уровни Интернета. Доменные зоны. Сервисы Интернета. Программы-браузеры. Поисковые системы. Вирусы. Проблемы развития Интернета в Беларуси. Каким будет компьютер будущего?
реферат [566,9 K], добавлен 12.05.2006Понятие интернета как средства массовой коммуникации. Анализ аудитории интернета. Понятие функций интернета. Коммуникативная функция интернета, информационная функция, ценностно-регулирующая функция, развлекательная функция интернета их значение и суть.
курсовая работа [405,7 K], добавлен 15.12.2008Основные факты из истории появления интернета, ключевые принципы и перспективы дальнейшего развития. Языковые сферы Интернета, русскоязычная среда всемирной сети (Рунет). Виды браузеров для просмотра интернет-страниц. Спектры сервисов и услуг Интернета.
контрольная работа [34,3 K], добавлен 25.02.2012Назначение локальных сетей как комплекса оборудования и программного обеспечения, их технические средства, топология. Организация передачи данных в сети. История развития глобальных сетей, появление Интернета. Программно-техническая организация Интернета.
реферат [40,8 K], добавлен 22.06.2014Услуги Интернета: электронная почта, передача файлов. Получение услуг сети через удаленный компьютер. Протоколы сети Internet: HTTP, FTP, Telnet, WAIS, Gopher, SMTP, IRC. Цели Внедрения видео-конференции-связи. Организация и проведение телеконференций.
курсовая работа [64,3 K], добавлен 20.12.2016Виды протоколов - стандартов, определяющих формы представления и способы пересылки сообщений, процедуры их интерпретации, правила совместной работы оборудования в сетях. Корневые серверы DNS, обеспечивающие работу системы доменных имен Интернета.
презентация [1,4 M], добавлен 14.05.2017Команды для настройки и проверки сети. Настройка подключения интернета под Windows, система доменных имен. Разновидности стандарта WiFi, виды мобильного интернета. Выбор хостинга при создании собственного сайта. Функциональные CGI-прокси (анонимайзеры).
лабораторная работа [1,4 M], добавлен 09.06.2014Описание принципов функционирования протоколов, используемых во всемирной сети. Характеристика структуры и особенностей работы Интернета. Преимущества использования электронной почты, IP-телефонии, средств мгновенного обмена сообщениями (ICQ, Skype).
реферат [1,2 M], добавлен 23.04.2011Понятие электронной коммерции и ее категории, сервисы Интернета для обеспечения коммерции. Провайдеры интернет-услуг. Безопасность трансакций, протоколы и стандарты безопасности виртуальных платежей. Классификация информационных ресурсов Интернета.
курсовая работа [95,4 K], добавлен 11.05.2014
