«Інтернет речей» і стандарти бездротового зв’язку

21.09.2016

«Інтернет речей» і стандарти бездротового зв’язку

Як показує історія, якщо трапляється війна стандартів, то вона однаково невигідна і переможцям, і переможеним. Війна стандартів дорого обходиться ще й тому, що вона гальмує розвиток ринків, оскільки і клієнти, і компанії не діють і чекають, коли ж «все устаканиться». Це справедливо і для «Інтернету речей». «Інтернет речей» – чудова можливість, вже створюються різноманітні додатки, але для їх масового впровадження велика роль уніфікованої стандартизації.

На шляху розвитку ініціатив, пов’язаних зі стандартизацією технологій, виникають, як показує досвід, хвилі воєн і хвилі плідної співпраці. Класичний приклад – так звана «війна» між VHS і Betamax (в районі 1980 г.), яка суттєво затримала розвиток ринку домашнього відео. Інший приклад війни стандартів набагато ближче до нашого часу (десь у 2007 році). Це війна оптичних DVD-дисків між Blue-ray і HD-DVD.

Підсумки цих двох технологічних баталій з очевидністю показали, що нічого хорошого в подібних війнах немає і що навіть переможці страждають від застою в своєму розвитку і затримки їх ринкового визнання. Зліт економічної активності, пов’язаний з уніфікацією стандартів, завжди різко контрастує з ринковим застоєм, породженим конкуренцією між стандартами або, нібито пропрієтарними, «псевдостандартамі».

Закінчуються війни стандартів зазвичай тоді, коли велика компанія або домінуюча на ринку група компаній робить вибір і створює критичну масу відповідних продуктів. У 1999 році компанія Apple вирішила використовувати в своїх лаптопах Wi-Fi, і через кілька місяців після цього рішення компанія HomeRF практично зникла з ринку. Щось подібне сталося з Betamax і HD-DVD, коли Голлівуд підтримав всією своєю масою VHS і Blu-ray. Однак нокаути такого типу з боку тієї чи іншої компанії зазвичай відбуваються після багаторічних дорогих акцій по поливання своїх конкурентів брудом і затяжного застою на ринку.

За що б’ються в області «Інтернету речей» і хто провідні Гравці?

Після серйозних воєн між стандартами практично завжди настає період співпраці. Початковий стандарт DVD (1995 г.) був прийнятий без особливої ​​боротьби, можливо, тому, що великі компанії ще не забули про війну VHS / Betamax і породжених нею економічні втрати. Тому прийняття ринком стандарту DVD сталося диво швидко і відеокасети зникли практично за одну ніч. Огляд основних суперників у сфері стандартів бездротового зв’язку для «Інтернету речей» представлено на мал. 1.

Обзор различных стандартов беспроводной связи для «Интернета вещей»

Мал. 1. Огляд різних стандартів бездротового зв’язку для «Інтернету речей» в контексті багаторівневої моделі ISO.

 

Для простоти стандарти стільникового зв’язку опущені, незважаючи на те, що їх роль в «Інтернеті речей» (і в так званому бізнесі M2M) все ж важлива. Однак всякого роду конкуренція серед цих стандартів – тема окремої розмови. Я також опустив технологію RFID, теж вельми корисну для «Інтернету речей» з точки зору безпеки, але менш дискусійну, оскільки вона виступає, скоріше, в ролі електронного шрих-коду, ніж в ролі реальної (дуплексной) зв’язку. Також для простоти я опустив пропрієтарні псевдостандарти типу ANT +, Z-Wave і EnOcean. Причина проста: я вважаю, що, як і інші «нестандартні» пропрієтарні стандарти, вони через кілька років не витримають конкуренції з міжнародним стандартами, які будуть широко прийняті даною галуззю.

Таким чином, поле битви зв’язкових стандартів для «Інтернету речей» можна розділити на три горизонтальних рівня (або комбінації рівнів): 1) фізичний / канальний рівень ( «коннектор»), 2) мережевий / транспортний рівень ( «бездротової кабель») і 3 ) прикладний рівень ( «хтось робить щось для когось»).

Фізичний / канальний рівень

За фізичний / канальний рівень (рис. 2) в нашій галузі ведеться кілька критично важливих боїв. Так, в 1990-х роках Ethernet (IEEE 802.3) бився з Token Ring (IBM) і ARCnet (Datapoint). А 1999 році Bluetooth (Bluetooth SIG) воював з Wi-FI (IEEE 802.11). Це закінчилося, коли обидва останні стандарту знайшли свої власні стійкі прикладні ніші і змогли окопатися зважаючи на можливу перспективи наступного раунду (Wi-FI Direct в атаці на Bluetooth). Далі війна перекинулася в область мереж з малим енергоспоживанням (low power networking). Вже не варто дивуватися, що проти IEEE 802.15.4, який домінує на цьому ринку, гострять мечі Wi-FI (c «low power Wi-FI») і Bluetooth (з «Bluetooth Low Energy»), прагнучи теж взяти участь в боротьбі за малопотужні мережі.

5cc8faae6bab01f7c80d6bcfb7dd0847

Мал. 2. Системи з великим навантаженням на фізичний / канальний рівень і обмеженим енергоспоживанням.

 

Все ж слід відзначити, що на цьому рівні домінують всесвітньо прийняті відкриті стандарти – в основному на базі IEEE – і в реальності війна практично закінчилася, оскільки більшість розбіжностей дозволені в рамках органів по стандартизації.

Всі три основних IEEE-стандарту все ще конкурують за захоплення якомога більшої частини ринку додатків. Однак всі вони – IEEE 802.11 / Wi-FI для спільного використання і поширення контенту (Content Sharing), 802.15.4 / ZigBee для передачі датчикової і керуючої інформації по малопотужним мереж (Low Power Sense & Control Networking) і Bluetooth для заміни кабелів в носяться пристроях (Wearables) – здається, знайшли свої основні прикладні ніші і будуть з нами ще тривалий час.

Мережевий / транспортний рівень

У минулому були серйозні битви і за мережевий / транспортний рівень. Це досить темна область, де колись домінували такі продукти і компанії, як LAN Manager (IBM, Microsoft), Netware (Novell), і деякі інші. Однак її «демократизувало» співтовариство Internet Engineering Task Force (IETF) зі своїм протоколом TCP / IP, який добре відомий як поширений зараз IPv4 і з’явився пізніше IPv6 – внесок співтовариства IETF в «Інтернет речей». Також IETF створив стандарт 6LoWPAN (IPv6 over Wireless Personal Area Networks – IPv6 поверх бездротових персональних мереж), який дозволяє передавати трафік IPv6 по малопотужним бездротовим ніздрюватим мереж (mesh) (мал. 3).

6f3c758077f857ec1f0b58392c71a1ca

Мал. 3. Мережевий / транспортний рівень.

Нещодавно компанія Google / Nest адаптувала 6LoWPAN як частина протоколу Thread, завдяки чому Thread відразу отримав кредит довіри і вступив в пряму конкуренцію з ZigBee PRO, ще одним претендентом на цю нішу. Протоколи ZigBee PRO і Thread (на базі одного і того ж фізичного / канального рівня IEEE 82.15.4) мають відносно один одного певними перевагами. Підтримуючи IPv6, протокол Thread добре інтегрований в світ IP. Що ж стосується ZigBee, то він вже широко прийнятий, інтегрований з по-справжньому великий і ретельно протестованої прикладної бібліотекою (див. Нижче), довів свою захищеність і зручність застосування, і при цьому теж може взаємодіяти з IPv6.

В даний момент консорціум Google / Nest Thread Alliance намагається об’єднати навколо себе якомога більше учасників, щоб підштовхнути просування протоколу Thread, але процес йде відносно повільно: поки менше 100 членів, в той час як в консорціумі ZigBee понад 400 учасників. Цікаво, що багато членів альянсу Thread входять також і в консорціум ZigBee! До тих пір, поки стандарт Thread не буде опублікований, ця ситуація залишиться невизначеною і, як зазначено раніше, призведе до вичікувальну поведінки на ринку «Інтернету речей», що, на жаль, сповільнить його розвиток.

Щоб ще більше ускладнити ситуацію, в цій сфері є й інша група, яка «каламутить воду» на мережевому / транспортному рівні. У консорціумі Bluetooth (Bluetooth SIG) серйозно намагаються розвинути у протоколу Bluetooth «здатності до організації мережі». Іншими словами, консорціум Bluetooth намагається домогтися того, щоб мережевий рівень протоколу Bluetooth міг підтримувати набір «носяться комп’ютерів» (гаджетів) не тільки навколо одного пристрою, але і розширити його до більш широкого набору незалежних пристроїв, що працюють разом в складі комірчастої мережі (mesh) . Незважаючи на те, що завершення робіт очікується не раніше 2017 року, для «Інтернету речей» і розробників пристроїв «Розумного будинку», ситуація ще більш туманна.

Тут, однак, важлива відповідь на принципове питання: а чи є технічна можливість для створення Bluetooth Mesh (чарункова мережа Bluetooth)? Протокол Bluetooth, як і Wi-Fi, «орієнтований на з’єднання», в той час як стандарт IEEE 802.15 для ZigBee і Thread орієнтований на комутацію пакетів, що дуже підходить для протоколів пористих мереж. Спроба у 2001 році створити ячеистую самоорганізується мережу на базі Wi-FI (стандарт IEEE 802.11s) сумно провалилася, оскільки для протоколів, орієнтованих на з’єднання, перемогти «затримки» виявилося непідйомним важким завданням. В даний момент складається таке враження, що чарункова мережа Bluetooth відрізняється від комірчастої мережі Wi-Fi d в основному логотипом.

Для багатьох фахівців ця нова ініціатива навколо Bluetooth звучить як повторення більш ранньої спроби (десь в 1997-2000 рр.) Витіснити Wi-FI, додавши мережеві можливості. «Bluetooth зітре Wi-Fi з лиця землі» – ось гасло того часу. Як усі ми знаємо, той проект по витісненню Wi-Fi сумно провалився. На даний момент Bluetooth Mesh більше схожий на спробу інженерів «зайнятися чим-небудь цікавеньким», а не на спробу задовольнити нагальні потреби ринку. Можливо, ця нова ініціатива незабаром вичерпається, як раніше творці Bluetooth зупинили спроби змагатися з Wi-Fi.

Прикладний рівень

Щоб по-справжньому зрозуміти інтригу баталій на прикладному рівні (мал. 4), добре б подивитися на картинку знову, але не по горизонталі, а по вертикалі.

Прикладной уровень рисунок

Рис 4. Прикладний рівень.

Прикладний рівень – це сукупність команд і очікуваних результатів взаємодії пристроїв ( «речей») один з одним. Це найскладніший рівень, оскільки він охоплює так багато різних пристроїв в такій величезній кількості додатків в такому широкому спектрі інтересів користувачів, що в даний момент важко уявити реально закінчену картину пропонованих до нього вимог.

«Розумні» системи для будинку абсолютно не схожі на «розумні» системи для будівель і споруд або для «розумних» міст (управління вуличним освітленням або вільними місцями на автопарковках), в той час як промислові датчики – це свій окремий клас пристроїв. Не дивно, що прикладний рівень великий і розгалужену. Є і безперервне накопичення пов’язаних з цим рівнем знань і досвіду, включаючи хмарні інтерфейси, методи аналізу, взаємодія з соціальними мережами, додатками для смартфонів і т.п.

Перший і самий зрілий боєць на цьому просторі – так звана «Cluster Library» ( «бібліотека кластерів»), яка є частиною стандарту ZigBee (ZCL). У версії 3.0 стандарту ZigBee ця бібліотека повністю інтегрована, включаючи так звані профілі додатків домашньої автоматизації (Home Automation) і освітлення (Lighting), плюс додатки для підтримки наднизького енергоживлення (наприклад, безбатарейний) Green Power і ZRC для додатків з наднизьким часом очікування (low latency), які необхідні для віддаленого управління (Remote Control). Ця ZigBee Cluster Library доведена до досконалості, має добре продуманої захищеністю і легко встановлюється. В даний час в ній встановлена ​​найбільша база вендорів.

Другий суперник – програмний пакет Apple Home Kit. Це дійсно суперник, але не в такій мірі стандарт, оскільки Apple Home Kit – власність компанії Apple. Проте, оскільки компанія Apple – сильний ринковий гравець і «кумир» для багатьох шанувальників, Apple Home Kit розширює свою присутність на ринку завдяки прикладним надбудовам над Wi-Fi і Bluetooth для мережевої підтримки малопотребляющіх носяться комп’ютерів і гаджетів. В даний час Home Kit зі стандартом IEEE 802.15 не інтегрований, але можливості для інтеграції з ZigBee і ZigBee Cluster Library у нього все ж є.

Третій гравець в боротьбі за прикладний рівень – консорціум Open Interconnect, що приводиться в рух компаній Intel і підтримуваний іншими компаніями типу Cisco і Samsung. Саме ця група недавно включилася в роботу і – подібно Apple – віддала перевагу Wi-Fi і Bluetooth, з прицілом на ZigBee в перспективі. Консорціум Open Interconnect анонсував IoTivity, проект відкритого ПЗ (Open Source) під егідою консорціуму Linux Foundation, який допомагає ідентифікувати підключені до мережі пристрою на прикладному рівні.

Останній суперник на цьому полі – альянс AllSeen, якій (що досить цікаво) теж діє під егідою Linux Foundation. Все почалося з роботи над проектом AllJoyn в компанії Qualcomm, проте незабаром стало зрозуміло, що ринок дуже великий, сильно диверсифікований і дуже залежить від розробки закінченої екосистеми, і що витягнути все це в поодинці непідйомною. В результаті Qualcomm профінансував всю роботу до моменту створення альянсу AllSeen, який Qualcomm і раніше очолює, але вся подальша діяльність ведеться незалежно.

Про всі перераховані ініціативи, покликаних заповнити прикладний рівень, є що сказати окремо.

По-перше, всі перераховані суперники в боротьбі за прикладний рівень в вагомою часткою беруть участь в одних і тих же професійних спільнотах, причому до такої міри, що це не тільки впливає на ринок, але деяких них навіть плутають. Наприклад, багато хто з більш чотирьохсот членів консорціуму ZigBee складаються також в OIC і AllSeen, граючи роль «моста» між ними. Крім того, результати такої «роботи за сумісництвом» – різні фреймворки (Frameworks) – мало чим відрізняються за своїм призначенням і частково доповнюють один одного.

Головне завдання, яке вирішує бібліотека ZigBee Cluster Library, – опис функціональності простих пристроїв (лампи, термостати і т. П.), І в якості такої добре укомплектована, оскільки наповнювалася і удосконалювалася протягом багатьох років.

Пакет Home Kit компанії Apple фокусується на поданні конкретних пристроїв конкретного користувача (в будинку, в кімнаті і т. Д.) І, що не дивно, будує цю структуру як розширення смартфона – використання смартфона в якості центру екосистеми. В даний час все це добре використовується для «носяться пристроїв» ( «аксесуари» для смартфона), але як це могло б працювати в складі, наприклад, «розумного будинку» (Smart Home) до сих пір ніхто не бачив. Проте, завдяки ринковому успіху смартфона Apple і тому факту, що Apple – продуктова компанія, а багато клієнтів Apple дотримуються вірність екосистемі продуктів Apple, Home Kit, можливо, не покине нас ще деякий час.

Можливо, сама перехресна діяльність ведеться в рамках ініціатив OIC / IoTivity і AllSeen / AllJoyn. Обидва проекти фокусуються на створення спеціальних засобів для виявлення підключених до мережі пристроїв і виявлення, як вони взаємодіють. Тому дані проекти – прямі конкуренти. На відміну від Apple Home Kit, обидва запущені і підтримуються напівпровідниковими компаніями. З огляду на, що і той, і інший пов’язані з Linux Foundation, постає питання, наскільки довго вони будуть розвиватися окремо.

Можливим розвитком подій стало б злиття цих проектів в один і об’єднання з бібліотекою ZigBee Cluster Library, що дозволило б зберегти конкурентоспроможність по відношенню до «пропрієтарного» Home Kit компанії Apple. Інтеграція з високорозвиненою і надійної бібліотекою ZigBee Cluster Library мала б сенс для будь-якого з цих проектів, в той час як ZigBee Cluster Library може «виграти» завдяки перспективі розширення фреймворка і можливості роботи не тільки через ZigBee, але і через Wi-Fi і Bluetooth.

І останнє цікаве спостереження полягає в тому, що в даному прикладному рівні повністю відсутня Google / Nest і що (теоретично) він міг би працювати з ЯКИМИ іншими, вже специфікованими, прикладними рівнями. Однак результатом цього відсутності стає те, що Thread не є повним стандартом і що в тому вигляді, в якому він є, він не дозволяє взаємодіяти «різнокаліберним» пристроїв. Якщо коли-небудь стандарт Thread з’явиться, буде потрібно його інтеграція з яким-небудь прикладним рівнем. І в даному випадку має сенс інтегрувати Thread з бібліотекою ZigBee Cluster Library, так як тільки тоді він стане «повним» стандартом, тобто взагалі стандартом …

Комунікаційні можливості «Інтернету речей» – «погані новини» для розробників

  1. В даний час стандарт IEEE 802.15.4 (2, 4 ГГц) прийнятий головним чином в якості стандарту фізичного / канального рівня для малопотребляющіх датчикову і керуючих мереж, в поєднанні з Wi-FI для мереж розповсюдження контенту, а в поєднанні c Bluetooth – для « носяться »пристроїв.
  2. Неспокійно на мережевому / транспортному рівні, де Google / Nest намагається встановити стандарт, що кидає відкритий виклик офіційному органу по стандартизації (альянсу ZigBee). Після того як був закладений фундамент, діячі з Google / Nest реформували себе в відкриту організацію (альянс Thread). Однак, незважаючи на крикливі обіцянки і політичні махінації, сам стандарт Thread неповний і, щоб придбати значимість на даному ринку, потребує розширення.
  3. Велика плутанина на прикладному рівні, де потрібно подальший розвиток технологій. Компанії Apple, Google / Nest, Intel, Qualcomm намагаються визначити стандарти і / або «стати на чолі руху». Частково вони конкурують з альянсом ZigBee, а в чомусь його доповнюють.
  4. Єдиною добре розвиненою і ринково випробуваної реалізацією прикладного рівня є бібліотека ZigBee Cluster Library, яку має сенс використовувати для всіх конкуруючих фреймворків прикладного рівня. Інтеграція з цією бібліотекою допоможе кожному з них отримати визнання на ринку.
  5. Поява на ринку стандартів IEEE 802.11ah (малопотужний WiFi для рівня MAC / PHY) і Bluetooth Mesh запізнюється (очікуються не раніше 2017 року), і з великою ймовірністю вони виявляться нерелевантними.

Отже, куди все рухається – до реальної війни або до мирного врегулювання? Будемо сподіватися, разом з усіма компаніями, яким не терпиться зібрати урожай з «Інтернету речей», що трапиться останнім. Чим швидше тим краще.

Доповнення після квітня 2015 року

2 квітня 2015 року консорціуми ZigBee Alliance і Thread Group оголосили про свою співпрацю в області розробки об’єднуються в мережу побутових приладів і пристроїв. Завдяки цій угоді відкривається перспектива роботи протоколу прикладного рівня ZigBee Cluster Library в мережах Thread.

При цьому у альянсу ZigBee з’являється чітка IP-стратегія, а в альянсу Thread – перспектива створення стандарту на профілі додатків.

Зрозуміло, що для того щоб втілити це в життя, потрібно багато чого зробити, включаючи відповідні специфікації на тестування і процедури сертифікації, проте це полегшить життя як постачальникам продуктів, так і постачальникам технологій і, зокрема, допоможе у вирішенні наступних завдань:

Співіснування мережевого рівня ZigBee PRO і мережевого рівня Thread або їх міграція в щось третє.
Інтеграція пристроїв з малим споживанням (ZigBee Green Power) в середу Thread.
Впровадження ультрашвидкісна можливостей протокольного стека RF4CE ZRC2.0 в мережі ZigBee / Thread.
Всі ключові компоненти для побудови дієздатної середовища локального «Інтернету речей», в принципі, є. Залишається домогтися того, щоб це середовище була одночасно захищеної, енергоефективної, простий у використанні (Самоустановлювальні) і недорогий (мал. 5).

Обзор ZigBee

Мал. 5. Огляд ZigBee і пропрієтарних фреймворків після квітневого анонса 2015 року про інтеграції ZigBee Cluster Library в мережі Thread.

 

За матеріалами Сис Лінкс (Cees Links), Greenpeak technologies і RTSoft.

 

При використанні матеріалів сайту vkt.ua активне посилання на джерело обов’язкове

Статьи

29.06.2018

У 2017 р. загальний ринок віртуального робочого місця  був оцінений у 4982,4 млн. доларів. Проте, очікується, що до 2023 року він становитиме 8957,4 млн. (читать далее)

21.06.2018

Нове дослідження, проведене компанією HTF MI під назвою “Інтерактивний експертний звіт про дослідження ринку кіосків у Китаї” за 2018 рік містить поглиблену оцінку Інтерактивного (читать далее)