Архитектура и ключевые модули интернета

часть 1. Датчики и питание

Интернет начинается или заканчивается одним событием: простое движение, смена температуры или, может быть, рычаг защелкивает замок. В отличие от многих существующих ИТ-устройств, интернет вещей по большей части свя- зан с физическим действием или событием. Он выдает реакцию на какой-то фактор реального мира. Иногда при этом один-единственный датчик может сгенерировать огромный объем данных, например, акустический датчик для профилактического осмотра оборудования. В иных случаях всего одного бита данных достаточно, чтобы передать жизненно важные сведения о состоянии здоровья пациента. Какой бы ни была ситуация, системы датчиков эволю- ционировали и, в соответствии с законом Мура, уменьшились до субнаноме- тровых размеров и стали существенно дешевле. Именно к этому апеллируют
Часть 2. Передача данных  47
те, кто прогнозирует, что к интернету вещей будут подключены миллиарды устройств, и именно поэтому эти прогнозы оправдаются. Эта глава посвящена микроэлектромеханическим системам, датчикам и другим типам недорогих граничных устройств и их электрофизическим свойствам. Также в этой гла- ве рассказывается о том, какие силовые и энергетические системы необхо- димы для питания этих граничных устройств. Нельзя считать, что граничные устройства снабжаются энергией по умолчанию. Миллиардам маленьких дат- чиков все равно нужен большой объем энергии. В этой книге мы еще будем возвращаться к теме электропитания, а также поговорим о том, как безобид- ные перемены в облачном сервисе могут кардинальным образом повлиять на всю энергетическую архитектуру системы в целом.
часть 2. переДача Данных
Большая часть этой книги посвящена установлению соединения и работе сетей. Бесчисленное множество других источников подробно рассказывают о раз- работке приложений, прогнозной аналитике и машинном обучении. В этой книге мы тоже обсудим эти темы, но не меньше внимания будет уделено про- цессу передачи данных. Интернета вещей не существовало бы без надежных технологий передачи данных из самых удаленных и неблагоприятных обла- стей в крупнейшие центры сбора данных компаний Google, Amazon, Microsoft и IBM. Словосочетание «интернет вещей» содержит слово «интернет», поэто- му мы должны изучить вопросы, касающиеся сетевых технологий, обмена дан- ными и даже теории сигналов. Базовая опора интернета вещей – это не датчи- ки и не приложения, а возможность установить соединение, как мы увидим в данной книге. Успешный архитектор понимает все сложности межсетевого взаимодействия датчика с глобальной вычислительной сетью и наоборот (вза- имодействия ГВС с датчиком).
Раздел про передачу данных и сетевое соединение начинается с теорети- ческих аспектов и математических основ коммуникации и работы с инфор- мацией. Успешным архитекторам понадобятся тренировочные инструменты и модели – не столько для того, чтобы разобраться, почему определенные про- токолы не очень эффективны, сколько для того, чтобы спроектировать буду- щие системы, которые способны расширяться до необходимых для интернета вещей масштабов. Эти инструменты включают в себя динамические харак- теристики радиосигнала, такие как анализ спектра и электропитания, отно- шение сигнал/шум, потери в тракте передачи и интерференция. В этой части также подробно расписаны основы теории информации и ограничения, кото- рые влияют на общую пропускную способность и качество данных. Кроме того, освещаются основные положения закона Шеннона. Спектр сигнала беспровод- ной связи также не безграничен и распределяется между несколькими устрой- ствами, а архитектор, разрабатывающий широкомасштабную IoT-систему, должен понимать, как и каким образом распределяется спектр. Теоретические
48  Архитектура и ключевые модули интернета вещей
основы и практики, рассматриваемые в данной части, пригодятся при чтении остальных разделов книги.
Передача данных и установление сетевого соединения будут происходить на базе систем связи ближнего действия – персональных сетей (PAN), обычно построенных без соблюдения правил IP-протокола. Глава, посвященная персо- нальным сетям, включает в себя информацию о новом протоколе Bluetooth 5 и mesh-сети, а также подробно рассказывает о протоколах Zigbee и Z-Wave. Это яркий пример многообразия беспроводных систем связи IoT. Далее мы рассмо- трим беспроводные локальные сети и системы связи на основе IP-протокола, включая широкий диапазон Wi-Fi-сетей на основе стандартов IEEE 802.11, 6LoWPAN и технологии Thread. В главе также говорится о новых стандартах Wi-Fi-связи, например, 802.11p для передачи информации между транспорт- ными средствами.
Этот раздел завершается рассказом о дальней связи на основе сотовых стандартов (4G LTE) и подробным описанием принципов действия и инфра- структуры, стоящей за стандартом 4G LTE и новыми стандартами, обеспечи- вающими работу интернета вещей и межмашинное взаимодействие, такими как Cat-1 и Cat-NB. В этой главе также много внимания уделяется наиболее перспективным свойствам находящегося на стадии разработки стандарта 5G, чтобы подготовить архитектора к планируемому увеличению радиуса дей- ствия сигнала, а также к тому, что каждое устройство будет использовать узкий диапазон частот. Также в этом разделе рассказывается о проприетарных про- токолах LoRaWAN и Sigfox, чтобы показать совершенно иной тип архитектуры.