Mrežni protokoli interneta inteligentnih uređaja

Internet inteligentnih uređaja predstavlja mrežu fizičkih objekata ili stvari sa ugrađenom elektronikom, softverom i senzorima, koji prikupljaju podatke iz okruženja i razmenjuju ih s drugim uređajima i sistemima. Udaljen pristup ovim uređajima i komunikacija sa okruženjem odvija se preko postojeće mrežne infrastrukture koja IoT uređajima mora da obezbedi nesmetan i bezbedan pristup internetu.

Mrežni protokoli

U oblasti komunikacija postoji trend integracije M2M sistema i bežičnih senzorskih mreža sa internet servisima koji koriste postojeće TCP/IP protokole. Cilj integracije jeste da se inteligentnim uređajima obezbedi konektivnost preko TCP/IP steka i veb servisa i da se omogući agregacija, vizuelizacija i analiza podataka dobijenih iz pametnih uređaja.

Protokoli za komunikaciju s pametnim uređajima su jednostavni, ali je njihova složenost uslovljena hardverskim i softverskim mogućnostima samih IoT uređaja.

Ethernet

Ethernet je protokol definisan IEEE 802.3 standardima za komunikaciju na fizičkom i sloju veze OSI referentnog modela  i predstavlja jednu od najčešće korišćenih višemedijumskih tehnologija u LAN i WAN mrežama.

Svaki uređaj u Ethernet mreži ima hardverski deo, karticu za interfejs s 48-bitnom MAC adresom, koja na jedinstven način identifikuje uređaj s koga je poslat i kome je frejm namenjen.

Wi-Fi

Wi-Fi je često korišćen u IoT komunikacijama, a predstavlja tehnologije za lokalne bežične mreže zasnovane na grupi IEEE 802.11 standarda. Uglavnom se koristi frekvencijski opseg od 2,4-2,4835GHz, osim kod 802.11a standarda koji zahteva opseg od 5,725-5,850GHz.

WiMAX

WiMAX (eng. Worldwide Interoperability for Microwave Access) je širokopojasna bežična tehnologija definisana IEEE 802.16 standardom. WiMAX ima sličnu primenu kao i Wi-Fi, ali je funkcionalna na većim udaljenostima, s većom brzinom protoka i za više korisnika.

U skladu sa zahtevima mobilnosti, primena WiMAX-a može biti podeljena u četiri faze:

• Fiksni pristup
• Nomadski pristup
• Mobilni pristup
• Potpuna mobilnost

Bluetooth

Bluetooth tehnologija predstavlja primer ad hoc bežičnog umrežavanja velikog broja uređaja. Karakteriše je mala potrošnja energije i jeftine bežične komunikacije zasnovane na radio-talasima.

Arhitektura Bluetooth mreža zasniva se na scatternet konceptu koji čini više malih ćelija, piconets, unutar kojih uređaji rade u jednom od četiri različita režima: master, slave, stand-by ili hold.

IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 je standard koji je definisala IEEE 802.15 radna grupa, a odnosi se na fizički sloj i kontrolu pristupa medijumu za LR-WPAN (eng. Low-Rate Wireless Personal Area Networks) mreže malih brzina prenosa podataka.

Zavisno od zahteva aplikacija, IEEE 802.15.4 LR-WPAN mreže mogu biti s topologijom zvezde ili peer-to-peer topologijom. U topologiji zvezde komunikacija se uspostavlja između uređaja i centralnog kontrolera koji se naziva PAN koordinator (eng. Personal Area Coordinator).

ZigBee

ZigBee je protokol za bežičnu komunikaciju, izgrađen na IEEE 802.15.4 standardu. U okviru IoT sistema i M2M komunikacije koristi se za kontrolu i upravljanje pametnim uređajima.

ZigBee mrežni sloj podržava jednu od sledeće tri topologije mreže: topologija zvezde, klaster stablo i generičke meš mreže.

ZigBee se koristi u IoT aplikacijama koje zahtevaju bežični prenos malih količina podataka na kraćim rastojanjima.

Vlasnički komercijalni protokoli

EnOcean

EnOcean je bežična tehnologija koja se zasniva na konceptu napajanja sakupljanjem energije (eng. energy harvesting). Primenjuje se u razvoju sistema za automatizaciju i u drugim aplikacijama u industriji, transportu, logistici i pametnim kućama.

Ključne prednosti EnOcean protokola jesu: skraćeno vreme projektovanja i implementacije sistema, bez žičane infrastrukture u pozadini, jednostavno održavanje, pouzdanost i fleksibilnost.

Z-wave

Z-wave standard nastao je 2005. godine kao rezultat aktivnosti Z-wave alijanse koju čini 250 kompanija, kao što su Danfoss, Yale, GE, Black&Decker, Belkin, Kwikset, Leviton i druge. Glavna komponenta jeste radio-primopredajnik pomoću koga se uspostavlja veza između uređaja različitih proizvođača.

Komunikacija između uređaja u Z-wave mrežama odvija se u skladu s komunikacionim modelom od tri sloja: radio sloj, mrežni sloj, aplikacioni sloj.

Z-wave protokol definiše dva tipa identifikacije čvorova u mreži: Home ID i Node ID.

Insteon

Insteon je dual-band(radi u dva frekventna opsega, nekada preko različitih medijuma) mrežna topologija koja obezbeđuje automatizaciju osvetljenja, termostata, senzora pokreta i drugih električnih uređaja. Uređaji komuniciraju putem strujnih kanala elektroenergetske mreže(eng. Powerline, PL), radio-talasa(eng. Radio frequency, RF) ili kombinacijom jednog i drugog.

Insteon RF uređaji međusobno komuniciraju primenom Insteon RF protokola, Insteon PL preko žice primenom Insteon PL protokola, a Insteon dual-band koriste i Insteon PL i Insteon RF protokole.

U mrežama kućnih uređaja protokoli definišu kako komuniciraju lampa, bojler, frižider ili drugi uređaji. U ove svrhe razvijeni su LonWorks, KNX, X-10 i drugi protokoli.

Protokoli mreža kućnih uređaja

X10

X10 je međunarodni i otvoreni industrijski standard za komunikaciju elektronskih uređaja u kućnoj automatizaciji. X10 se koristi u velikom broju domaćinstava zbog svoje jednostavnosti, mogućnosti proširenja bez dodatnih troškova i stepena razvijenosti protokola.

KNX

KNX je mrežni protokol za inteligentne zgrade, zasnovan na OSI standardu, koji funkcioniše na nekoliko komunikacionih medijuma: upredena parica, elektroenergetska mreža, radio-talasi, infracrveni talasi, Ethernet. Najčešće se realizuje pomoću upredenih parica.

LonWorks

Kompanija Echelon razvila je LonWorks (LonTalk) protokol ili ANSI/EIA 709.1 standard kao platformu za inteligentnu gradnju u industriji, koji se sve više primenjuje i u kućnoj automatizaciji. Platforma se sastoji od: mikroprocesora(Neuron), komunikacionog protokola(LonTalk) i mrežnih servisa(eng. Lonworks Network Services-LNS).

Brzina komunikacije u LonWorks mrežama zavisi od medijuma: upredena parica, gradska elektroenergetska mreža, radio-talasi, infracrveni talasi, koaksijalni kabl ili optička vlakna.

Arhitektura LonWorks protokola temelji se na peer-to-peer komunikaciji ravnopravnih uređaja.

Protokoli mobilnih mreža

3G

3G predstavlja treću generaciju mobilne telefonije, utemeljenu na nizu standarda za korišćenje servisa i mreža mobilnih telekomunikacija u skladu sa specifikacijom International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000).

3G se primenjuje u: glasovnoj telefoniji, pristupu mobilnom internetu, video pozivima, mobilnoj televiziji, video konferencijama, servisima zasnovanim na lokaciji, GPS sistemima, telemedicini i drugim.

Glavna prednost u odnosu na prethodne generacije ogleda se u većoj brzini protoka i širem spektru servisa.

Sledeći standardi pripadaju 3G mreži: UMTS, CDMA 2000, EDGE, W-CDMA, HSDPA, itd.

4G

LTE (eng. Long Term Evolution), poznatiji pod nazivom 4G, predstavlja standard za bežičnu komunikaciju velikih brzina namenjen mobilnim uređajima i terminalima. Zasniva se na unapređenim GSM/EDGE i UMTS/HSDPA mrežnim tehnologijama i na OFDMA, SC-FDMA, MC-CDMA tehnikama modulacije. Najveće promene dešavaju se u arhitekturi sistema, pošto se prelazi iz UMTS komutacije vodova i paketa u IP arhitekturu.

Najznačajnije tehnologije u 4G grupi su: Long Term Evolution, Ultra Mobile Broadband(UMB), IEEE 802.16 standard(WiMax) i MIMO.

Protokoli mrežnog internet sloja

IPv4

Ključna uloga IPv4 je da omogući povezivanje, prepoznavanje i slanje podataka između dva uređaja koji komuniciraju putem internet protokola.

Struktura IPv4 adresa jeste hijerarhijska, i sastoji se od: mrežnog dela(Network ID) i host dela(HOST ID). IPv4 adrese mogu se dodeljivati statički ili dinamički.

U međusobnoj komunikaciji uređaja preko interneta, IPv4 protokol koristi tri vrste adresa za slanje paketa na internet mrežu:  unicast, multicast, broadcast.

IPv6

Definiše novi format paketa, dizajniran da minimizira upravljanje zaglavljem paketa od strane rutera. IPv6 koristi 128-bitne adrese. Kao i kod IPv4 adresne šeme, IPv6 adrese imaju hijerarhijsku organizaciju.

Postoje tri vrste IPv6 adresa: unicast, multicast, anycast.

Primena IPv6 protokola omogućila je brži razvoj i primenu IoT rešenja. Osnovne prednosti primene IPv6 u IoT jesu: skalabilnost, prestanak korišćenja NAT barijera, podrška različitim interesnim grupama, karakteristike IPv6 protokola, TinyOS i mrežni stek, povećana podrška za hardver, proširenje koncepta Internet of Things na Web of Things, mobilnost, autokonfiguracija adresa, potpuna kompatibilnost između gejtveja, standardizacija.

6LoWPAN

Predstavlja IPv6 preko Low power Wireless Personal Area Networks, a to je, u stvari, adaptacioni sloj za IPv6 koji se realizuje preko IEEE 802.15.4 mreža. Ovaj protokol definiše enkapsulaciju i mehanizme kompresije zaglavlja, omogućujući tako IPv6 paketima da budu poslati i primljeni preko mreža zasnovanih na IEEE 802.15.4 standardu. Osnovna ideja jeste da internet protokol može biti primenjen i na najmanje uređaje i da uređaji s malom snagom i ograničenih procesorskih sposobnosti budu uključeni u IoT.

Standard 6LoWPAN omogućuje povezivanje Bluetooth i Zigbee uređaja na internet bez potrebe za instalacijom namenskih gejtveja.

Bežične meš mreže

Bežične meš mreže(eng. Wireless Mesh Networks, WMN) karakteriše odsustvo središnjeg čvora preko koga bi se odvijala celokupna komunikacija. Umesto toga, svaki čvor u mreži služi kao prenosnik podataka za druge čvorove. Postojanje više puteva za prenos podataka između korisnika znači da su meš mreže pouzdanije od ostalih komunikacionih u pogledu otpornosti na kvarove. Kvar na nekom čvoru ne znači prekid saobraćaja u mreži, jer se brzo pronalazi drugi put za prenos podataka između korisnika.

Arhitektura bežičnih meš mreža

Arhitektura bežičnih meš mreža može biti realizovana na tri načina, zavisno od topologije: ravne bežične meš mreže, hijerarhijske bežične meš mreže i hibridne bežične meš mreže.

Protokoli za usmeravanje podataka

Sa aspekta prenosa podataka, bežične meš mreže su pouzdane i elastične.

Protokoli rutiranja obezbeđuju neophodne putanje podataka, tako da čvorovi komuniciraju na funkcionalan i optimalan način proveravajući promenljive uslove u mreži.

Primena meš mreža

Meš mreže sadrže fiksne ili mobilne uređaje, zavisno od komunikacionih potreba. Neki od primera primene su u:  vojsci za bežično umrežavanje računarske opreme; objektima gde se vrši očitavanje stanja električnih i drugih brojila i prenos do centralne lokacije; obrazovnim servisima da se studentima omogući transfer fajlova kada nema kablovskog ili pristupa preko mobilnih uređaja; razgovoru između dva satelitska telefona usmerava se kroz meš mrežu od jednog do drugog satelita, zaobilazeći zemaljske stanice.

Protokoli transportnog sloja

TCP

TCP (eng. Transmission Control Protocol) je protokol Internet Protocol Suite-a i omogućuje pouzdano, usmereno i uređeno dostavljanje strima okteta između aplikacija koje se izvršavaju na računarima povezanim na IP mrežu. Na TCP protokolu zasnivaju se servisi aplikativnog sloja: veb, imejl, fajl transfer i drugi servisi.

U osnovi TCP protokola jeste ideja da primalac poruke mora da odgovori potvrdom (acknowledgment) kada primi podatke.

TCP prihvata podatke iz strima, deli ih na delove i dodaje TCP zaglavlje kreirajući TCP segment.

UDP

Kao i TCP, UDP (eng. User Datagram Protocol) jedna je od ključnih komponenti  internet protokola. Pomoću UDP-a šalju se poruke, u ovom slučaju datagrami, drugim hostovima na mreži bez prethodne komunikacije i otvaranja specijalnih kanala za prenos. On se najčešće koristi u aplikacijama gde je ključni zahtev brzina dostavljanja podataka, ali ne obezbeđuje garancije da će određena poruka biti dostavljena. Ključne karakteristike ovog protokola jesu: orijentisanost na transakcije i datagrame, jednostavnost, nepostojanje pamćenja stanja i komunikacija u svim pravcima.

Cross layer komunikacija za internet inteligentnih uređaja

Na sledećoj slici prikazana je višeslojna arhitektura bežične senzorske komunikacione mreže u kojoj se ostvaruje komunikacija njenih elemenata.

Osnovne funkcije fizičkog sloja, sloja linka podataka, mrežnog sloja i transportnog sloja odgovaraju njihovim standardnim funkcijama u OSI referentnom modelu. U aplikativnom sloju realizuje se softverska podrška za različite tipove primene bežičnih senzorskih mreža i tehnika kombinovanja podataka (agregacija i fuzija).

Cross layer optimizacija mreže novi je element u arhitekturi.

U mrežnoj arhitekturi cross layer optimizacija se vrši u upravljanju potrošnjom energije, bezbednošću, mobilnošću, procesima lokalizacije, sinhronizacije i detekcije susednih čvorova.

Za cross layer optimizaciju važan je izbor optimizacionih parametara, koji se odvija kroz sledeće korake: apstrakcija parametara specifičnih za dati sloj, identifikacija parametara koji optimizuju zadatu funkciju, rekonfiguracija sloja.

Cross layer algoritmi koriste se za zajedničku optimizaciju parametara fizičkog sloja(snaga predajnika, tip modulacije, bitska brzina, BER), MAC-DLC sloja(pristupna šema, veličina i popunjenost predajnog bafera) i aplikacionog sloja(izvorno kôdovanje i dozvoljeno kašnjenje).