TIỂU LUẬN các vấn đề hiện đại của kỹ thuật máy tính đề tài tiểu luận nghiên cứu về kiến trúc của iot

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TIỂU LUẬN Các vấn đề đại Kỹ thuật máy tính Đề tài tiểu luận: Nghiên cứu kiến trúc IoT Giảng viên đánh giá: TS.Hoàng Gia Hưng Sinh viên: Phạm Quốc Bảo Mã sinh viên: 19020502 Lớp: K64-K2 HÀ NỘI, 2022 Tieu luan LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Đại học Công Nghệ ĐHQGHN đưa môn học “Các vấn đề đại Kỹ thuật máy tính” vào chương trình giảng dạy Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên mơn – TS Hồng Gia Hưng, thầy Hiếu thầy Mạnh dạy dỗ, truyền đạt kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian học tập vừa qua Trong thời gian tham gia lớp học, em có thêm cho nhiều kiến thức bổ ích, đảm bảo cung cấp đầy đủ kiến thức, gắn liền với thức tế hành trang quan trọng cho chúng em làm việc Xin gửi lời tri ân em điều mà thầy cô dành cho sinh viên chúng em Mặc dù cố gắng hoàn thành tiểu luận với tất nỗ lực cố gắng thân, hạn chế kiến thức kinh nghiệm thực tiễn giới hạn thời gian, tiểu luận em khơng tránh khỏi thiếu sót nội dung hình thức Em mong nhận bảo góp ý thầy cô để giúp cho tiểu luận em thêm hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Tieu luan MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii TỔNG QUAN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu 1.2 Mục đich vấn đề nghiên cứu NỘI DUNG CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1 Khái niệm IoT 2.2 Các đặc tính hệ thống IoT 2.3 Các yêu cầu IoT 2.4 Kiến trúc hệ thống IoT MỘT SỐ ĐÁNH GIÁ VÀ TÍNH ỨNG DỤNG CỦA IOT 3.1 Ưu điểm hệ thống IoT 3.2 Nhược điểm hệ thống IoT 3.3 Ý nghĩa tính ứng dụng hệ thống IoT 10 KẾT LUẬN 12 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 13 Tieu luan CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Trong trình phát triển người, cách mạng cơng nghệ đóng vai trị quan trọng, chúng làm thay đổi ngày sống người theo hướng đại Đi đơi với q trình phát triển người, thay đổi tác động người tự nhiên, môi trường sống diễn ra, tác động trở lại chúng ta, ô nhiễm mơi trường, khí hậu thay đổi, v.v Dân số tăng, nhu cầu tăng theo, dịch vụ, tiện ích từ hình thành phát triển theo Đặc biệt áp dụng công nghệ ngành điện tử, công nghệ thông tin truyền thông vào thực tiễn sống người Cơng nghệ Internet of Things (IoT) tích hợp từ kỹ thuật điện tử, tin học viễn thơng tiên tiến vào mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh,… giúp ích cho sống xã hội Hiện nay, công nghệ IoT đã trở nên quen thuộc ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống người, đặc biệt nước phát triển có khoa học công nghệ tiên tiến dần trở nên lớn mạnh thay đổi theo hướng tích cực khơng ngừng theo ngày Hiểu nội dung mơ hình IoT hệ thống, ưu nhược điểm, ý nghĩa tính ứng dụng điều quan trọng giúp cho hoạt động kinh doanh sống trở nên dễ dàng hơn, hứa hẹn đích đến tiêu biểu cho nhà nghiên cứu, cho mục đích phát triển đầy tiềm Vì vậy, hướng dẫn TS Hoàng Gia Hưng, thầy Hiếu thầy Mạnh, em chọn đề tài “Nghiên cứu kiến trúc IoT” để làm rõ vấn đề nghiên cứu từ đề xuất số ưu nhược điểm vấn đề nghiên cứu ý nghĩa, tính ứng dụng vấn đề 1.2 Mục đích vấn đề nghiên cứu Trên sở nghiên cứu lý thuyết IoT để làm rõ nội dung, chất Tieu luan kiến trúc IoT phân tích ưu điểm, nhược điểm, ý nghĩa tính ứng dụng hệ thống CHƯƠNG 2: NỘI DUNG CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1 Khái niệm IoT IoT hay cịn có tên đầy đủ Internet of Things - yếu tố quan trọng cách mạng cơng nghiệp lần thứ Đó thứ không mang đến cho bạn nhìn lớn hơn, đầy đủ cơng nghệ, ứng dụng tương lai mà đem đến tiềm ứng dụng thực đáng kinh ngạc Khi mà đồ vật, người cung cấp định danh riêng mình, tất có khả truyền tải, trao đổi thông tin, liệu qua mạng mà không cần đến tương tác trực tiếp người với người, hay người với máy tính IoT dự kiến tích hợp cơng nghệ như: machine-to-machine, điện toán đám mây, bảo vệ an ninh riêng tư, … Hình 1: Các thành phần hệ thống Internet of Things 2.2 Các đặc tính hệ thống IoT Tính kết nối liên thông: khả thiết bị kết nối với thơng qua mạng lưới thông tin sở hạ tầng liên lạc tổng thể Tieu luan Tính khơng đồng nhất: Các thiết bị mạng lưới IoT sở hữu phần cứng network khác nên không đồng Nhờ vào liên kết network mà thiết bị network tương tác với Thay đổi linh hoạt: Trạng thái loại máy móc, thiết bị điện tử tự động thay đổi ví dụ ngủ, thức dậy, kết nối bị ngắt, vị trí thiết bị thay đổi, tốc độ thay đổi…Hơn nữa, số lượng thiết bị tự động thay đổi Quy mơ lớn: Sẽ có số lượng lớn thiết bị quản lý giao tiếp với Số lượng lớn nhiều so với số lượng máy tính kết nối Internet Số lượng thông tin truyền thiết bị lớn nhiều so với truyền người Đáp ứng dịch vụ liên quan đến “Things”: Hệ thống IoT có khả cung cấp dịch vụ liên quan đến “Things”, chẳng hạn bảo vệ riêng tư quán giữ Physical Things Virtual Things Để cung cấp dịch vụ cơng nghệ phần cứng cơng nghệ thông tin (phần mềm) phải thay đổi 2.3 Các yêu cầu Internet of Things(IoT) Có kết nối dựa nhận diện: Điều có nghĩa “Things” phải có địa ID riêng biệt Hệ thống IoT kết nối thiết lập dựa định danh ID “Things” nhờ vào hỗ trợ kết nối “Things” Tieu luan Hình 2: Các yêu cầu Internet of Things(IoT) Khả quản lý: Ứng dụng IoT thường làm việc tự động mà không cần người tham gia Vì hệ thống IoT cần phải hỗ trợ tính quản lý “Things” Tuy nhiên tồn q trình hoạt động họ nên quản lý bên thứ ba Khả bảo mật: Trong hệ thống IoT, nhiều “Things” kết nối với Chính điều làm tăng nguy bị rị rỉ thơng tin Dịch vụ thỏa thuận: Dịch vụ thỏa thuận cung cấp cách thu thập, giao tiếp xử lý tự động liệu “Things” dựa quy tắc thiết lập người vận hành tùy chỉnh người dùng Khả cộng tác: Hệ thống IoT có khả tương tác qua lại mạng Things Khả tự quản mạng: Khả tự quản mạng bao gồm tự cấu hình, tự quản lý, tự khắc phục lỗi sai, tự tối ưu hóa, … Điều vơ quan trọng để mạng thích ứng với lĩnh vực nhiều loại thiết bị khác nhau… Các khả dựa vào vị trí: Các thơng tin liên lạc dịch vụ liên quan đến phụ thuộc nhiều vào thơng tin vị trí thiết người sử Tieu luan dụng Hệ thống IoT biết theo dõi vị trí cách tự động Các dịch vụ dựa vị trí bị hạn chế luật pháp hay quy định chúng phải tuân thủ yêu cầu an ninh Bảo vệ tính riêng tư: Tất “Things” có chủ sở hữu Dữ liệu thu thập từ “Things” chứa thông tin cá nhân liên quan đến người sử dụng chúng Các hệ thống IoT cần bảo vệ riêng tư trình truyền liệu, lưu trữ, khai thác xử lý Plug and play: Hệ thống IoT bắt buộc “Things” phải plug – and – play cách dễ dàng thuận tiện Điều giúp cho việc sử dụng lần đầu dễ dàng 2.4 Kiến trúc hệ thống IoT Kiến trúc Internet of Thing: Sự phát triển IoT phát triển công nghệ riêng lẻ mà tổng hợp, thúc đẩy cải tiến không ngừng hàng loạt lĩnh vực công nghệ tảng khác nhau, gồm lĩnh vực cơng nghệ ln gắn liền với phát triển xu IoT bao gồm: phần cứng, truyền thông kết nối, phần mềm ứng dụng Hình 3: Bốn lĩnh vực cơng nghệ gắn với IoT Kiến trúc IoT chia thành lớp, lớp chí lớp tùy theo tính Tieu luan chi tiết kiến trúc, nhìn chung mơ hình lớp phổ biến ứng dụng nhiều gồm lớp sau: Lớp ứng dụng (Application Layer); Lớp hỗ trợ dịch vụ hỗ trợ ứng dụng (Service support and application support Layer); Lớp mạng (Network Layer); Lớp thiết bị (Device Layer) Hình 4: Kiến trúc hệ thống IoT a Lớp ứng dụng (Application Layer) Lớp tương tác trực tiếp với người dùng để cung cấp chức hay dịch vụ cụ thể thể hệ thống IoT Nó có khả cung cấp dịch vụ thông minh chất lượng cao để đáp ứng nhu cầu khách hàng b Lớp hỗ trợ dịch vụ hỗ trợ ứng dụng (Service support and application support Layer) Bao gồm dịch vụ hỗ trợ chung khả hỗ trợ dành riêng cho ứng dụng - Nhóm dịch vụ chung: Như tên cho thấy, dịch vụ hỗ trợ chung khả phổ biến áp dụng cho nhiều ứng dụng Ví dụ xử lý liệu Tieu luan lưu trữ liệu - Nhóm dịch vụ cụ thể, riêng biệt: Những ứng dụng IoT khác có nhóm dịch vụ hỗ trợ khác đặc thù Phục vụ yêu cầu ứng dụng cụ thể c Lớp mạng (Network Layer) - Khả kết nối mạng(Networking): Chúng bao gồm chức kiểm soát truy cập, định tuyến, quản lý di động, phân bổ tài nguyên, xác thực, ủy quyền kế toán … - Khả vận chuyển(Transporting) bao gồm chức vận chuyển liệu ứng dụng IoT hướng dẫn điều khiển quản lý - Lớp mạng IoT cho phép kết nối toàn cầu Chúng sử dụng giao thức mạng khác để kết nối thiết bị thông minh với mạng chúng tơi trình bày giao thức bật phần sau d Lớp thiết bị (Device Layer) Lớp thiết bị phần cứng vật lý hệ thống IoT Lớp chia làm loại: - Thiết bị thông thường: Thiết bị liên lạc, tương tác trực tiếp với network mà không cần phải sử dụng gateway Các thiết bị có khả thu thập tải lên thông tin trực tiếp tiếp nhận thông tin từ network Các thiết bị tương tác gián tiếp với network thông qua gateway Trong thực tế, thiết bị bao gồm cảm biến, phần cứng điều khiển - Thiết bị Gateway: Gateway cổng liên lạc thiết bị(device) mạng(network) Gateway hỗ trợ chức sau: + Nhiều chuẩn giao tiếp: Vì Things có đa số loại khác nên có nhiều kiểu kết nối khác nhau, nên Gateway phải hỗ trợ đa dạng từ có dây đến khơng dây Ví dụ ZigBee, Bluetooth, Wifi… Tại tầng mạng, Gateway giao tiếp thơng qua mạng 2G, 3G, 4G Ethernet hay DSL, … Tieu luan + Chuyển đổi giao thức: Chức cần thiết sử dụng hai tình là: (1) truyền thơng Device Network, device network dùng giao thức khác (2) Khi truyền thông lớp Device, nhiều device lại sử dụng giao thức khác CHƯƠNG 3: MỘT SỐ ĐÁNH GIÁ VÀ TÍNH ỨNG DỤNG CỦA IOT 3.1 Ưu điểm hệ thống IoT Hệ thống Internet vạn vật sử dụng vô rộng rãi, có ưu điểm như: Giao tiếp: IoT khuyến khích giao tiếp thiết bị, gọi giao tiếp Machine-to-Machine (M2M) Các thiết bị vật lý trì kết nối đem đến việc kết hợp nhuần nhuyễn chúng giúp đạt chất lượng sản phẩm cao Tự động hóa giúp giám sát thiết bị tốt hơn: IoT cho phép bạn tự động hóa kiểm sốt nhiệm vụ thực hàng ngày Không cần đến can thiệp người, máy móc giao tiếp với giúp gia tăng tốc độ chất lượng sản phẩm Giao tiếp máy với máy giúp trì tính minh bạch quy trình Nó tạo đồng nhiệm vụ hay công việc Thông tin: Rõ ràng việc có nhiều thơng tin giúp đưa định tốt Các cách mạng công nghiệp phát triển nhiều đầu mối nguồn thông tin thứ Doanh nghiệp bạn cần chuẩn bị thứ cần thiết tra cứu thông tin để định tập tức Màn hình, máy quan sát: Nó biết xác số lượng vật tư chất lượng khơng khí, sản phẩm nhà bạn cung cấp thêm thơng tin mà trước bạn gặp khó khăn thu thập Hơn nữa, giám sát hết hạn sản phẩm cải thiện an toàn vệ sinh thực phẩm cách tốt Tieu luan Tiết kiệm thời gian: Sự tương tác máy với máy mang lại hiệu tốt cho kết xác Thay phí thời gian để lặp lại nhiệm vụ tương tự ngày, cho phép người thực công việc sáng tạo khác Tiết kiệm tiền bạc: IoT hữu ích giúp cho thói quen hàng ngày người cách làm cho thiết bị giao tiếp với hiệu Chúng cảnh báo kịp thời vấn đề, cố phát sinh Vì vậy, bạn tiết kiệm lượng chi phí sửa chữa, trì nhiều sản phẩm 3.2 Nhược điểm hệ thống IoT Bên cạnh ưu điểm, hệ thống IoT tồn số nhược điểm như: Chưa có tảng ngôn ngữ chung: Một hệ thống IoT kết nối với qua Things Tuy nhiên với thiết bị IoT lại lập trình tảng ngôn ngữ riêng Điều gây khó khăn lớn vấn đề giao tiếp qua lại thiết bị Và giải pháp để hạn chế nhược điểm dùng đến giao thức Tuy nhiên giao thức lại chưa hồn tồn đồng với Chính thường dẫn đến tình trạng thơng tin khơng xử lý xử lý sai lệch Chi phí cao: Khi sản xuất thiết bị IoT chi phí cho khâu thiết kế, độ bền, quyền liệu cao Điều dẫn đến số đơng người dùng khơng thể tiếp cận với sản phẩm IoT Bên cạnh sản phẩm IoT thường chung với phần cứng phần mềm Các thiết bị thường đồng với nên thay chi tiết lẻ phức tạp Hàng rào Subnetwork: Các thiết bị IoT chủ yếu kết nối tới máy chủ trung tâm quản lý Tuy nhiên hệ thống IoT lại có subnetwork riêng Và thiết bị subnetwork khác chưa hồn tồn giao tiếp với Tác động đến xã hội: Phần lớn linh kiện thiết bị IoT sử dụng kim loại nặng Bên cạnh cịn có kim loại đất hóa chất có độc tố cao IoT quản lý liệu: Với lượng thiết bị lớn kết nối, liệu khổng lồ Tieu luan việc quản lý liệu quan trọng Việc bảo mật liệu đặt lên hàng đầu tránh lộ thông tin liên quan đến người dùng, liệu cá nhân Độ phức tạp: IoT mạng lưới đa dạng phức tạp, với lỗi lỗi phần mềm phần cứng gây hậu nghiêm trọng Khi điện gây nhiều bất tiện hệ thống thao tác nhiều thiết bị chúng kết nối với 3.3 Ý nghĩa tính ứng dụng hệ thống IoT Hệ thống IoT ngày phát triển nhanh chóng mạnh mẽ, đáp ứng nhu cầu sử dụng khác người dần đóng vai trị vơ quan trọng, có ý nghĩa tính ứng dụng to lớn cho người Nhờ có IoT, mơi trường sống chất lượng sống người trở nên dễ dàng tiện lợi như: Nhà thông minh (Smart home): Smart home dự định tương lai hệ thống IoT Tuy nhiên thiết bị Smart home có giá thành cao Bởi giá thành cịn cao mức thu nhập bình quân Việc thay tối ưu linh kiện đắt mục tiêu lớn công ty công nghệ IoT để phủ nhanh IoT khắp thị trường Thành phố thơng minh (Smart City): Mơ hình thành phố áp dụng hệ thống công nghệ thông tin – điện tử viễn thơng – tự động hóa nhằm nâng cao lực quản lý quyền Cơng nghệ IoT giảm tiêu thụ lượng chi phí, đồng thời làm cho sống hàng ngày trở nên thoải mái thuận tiện cho người sống môi trường đô thị Thiết bị đeo thơng minh (Smart Wearable): IoT phát triển, có ứng dụng tuyệt vời vào thiết bị đeo, giúp tiết kiệm lượng cao công suất cực thấp có kích thước nhỏ gọn Ngành chế tạo: Các nhà sản xuất đạt lợi cạnh tranh cách sử dụng giám sát dây chuyền sản xuất phép bảo trì chủ động thiết bị cảm biến Với trợ giúp cảnh báo cảm biến, nhà sản xuất nhanh chóng kiểm tra độ xác thiết bị loại bỏ khỏi sản xuất 10 Tieu luan sửa chữa Điều cho phép cơng ty giảm chi phí hoạt động, có thời gian hoạt động tốt cải thiện quản lý hiệu suất tài sản Ngành tơ: Ngồi lợi ích việc áp dụng IoT vào dây chuyền sản xuất, cảm biến phát lỗi thiết bị xảy phương tiện đường cảnh báo cho người lái xe cách chi tiết Giao thông vận tải: Các đội xe ô tô, xe tải tàu chở hàng tồn kho định tuyến lại dựa điều kiện thời tiết, tính sẵn có xe tính khả dụng tài xế, nhờ liệu cảm biến IoT Ngành bán lẻ: Các ứng dụng IoT cho phép công ty bán lẻ quản lý hàng tồn kho, cải thiện trải nghiệm khách hàng, tối ưu hóa chuỗi cung ứng giảm chi phí hoạt động Lĩnh vực y tế – chăm sóc sức khỏe: Chăm sóc sức khỏe đối tượng tiềm IoT Những thiết bị thông minh hỗ trợ nhiều cho hoạt động khám chữa bệnh Đây cách an toàn lúc để nhận trợ giúp y tế, mà không cần tiếp xúc thời kỳ hậu Covid IoT làm cho dịch vụ y tế có giá phải chăng, dễ truy cập dễ tiếp cận cho tất người Nó cho phép trung tâm y tế hoạt động hiệu bệnh nhân điều trị tốt mà khơng phải trả thêm chi phí Nơng nghiệp: IoT cung cấp cho nông dân khả tiếp cận kiến thức chi tiết thơng tin tình trạng đất họ Thông qua việc triển khai cảm biến IoT, thu liệu đáng kể trạng thái giai đoạn đất giúp nơng dân kiểm sốt việc tưới tiêu, sử dụng nước hiệu hơn, định thời điểm tốt để gieo hạt chí phát diện bệnh thực vật đất Bảo mật thông tin liệu: Internet of Things (IoT) kết nối hàng tỷ thiết bị với Internet liên quan đến việc sử dụng hàng tỷ điểm liệu, tất cần bảo mật Do bề mặt cơng mở rộng nó, bảo mật IoT quyền riêng tư IoT coi mối quan tâm lớn 11 Tieu luan KẾT LUẬN Nói tóm lại, IoT việc định hướng kết nối thiết bị, công cụ hay đồ vật đời sống với internet để giúp người giao tiếp, truy cập điều khiển hay thu thập thông tin nhằm làm tăng hiệu suất hiệu sử dụng Công nghệ hứa hẹn tạo đem lại ứng dụng đầy tiềm cho người giúp áp dụng nhiều lĩnh vực khác nhà thông minh, thành phố thông minh, lĩnh vực y tế, bảo mật thơng tin,… Tuy nhiên để tận dụng khai thác hiệu công nghệ IoT yêu cầu người cần phải nắm bắt cấu trúc, ưu nhược điểm công nghệ Vì vậy, qua tiểu luận nghiên cứu kiến trúc IoT, nhờ hướng dẫn giúp đỡ thầy – TS Hoàng Gia Hưng, thầy Hiếu thầy Mạnh thân em hồn thành hiểu kiến thức kiến trúc từ đưa ưu nhược điểm, ý nghĩa, tính ứng dụng kiến trúc IoT 12 Tieu luan DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO https://thietbikythuat.com.vn/internet-of-things-la-gi-cac-dac-tinh-co-bancua-internet-of-things/ https://vietnix.vn/iot-la-gi/ https://www.celona.io/network-architecture/iotarchitecture#:~:text=What%20Is%20IoT%20Architecture%3F,%2C%20gad gets%2C%20and%20other%20devices) https://sieuthimang.vn/tin-tuc/IoT-la-gi-Kien-truc-he-thong-mang-IoT.html https://www.fasolutions.vn/uu-diem-va-nhuoc-diem-cua-internet-of-things/ https://www.geeksforgeeks.org/advantages-and-disadvantages-ofiot/#:~:text=It%20can%20assist%20in%20the,updated%20frequently%20in %20real%20time https://dlcorp.com.vn/iot-la-gi-ung-dung-cua-iot-trong-thuc-tien/ 13 Tieu luan ... chọn đề tài ? ?Nghiên cứu kiến trúc IoT? ?? để làm rõ vấn đề nghiên cứu từ đề xuất số ưu nhược điểm vấn đề nghiên cứu ý nghĩa, tính ứng dụng vấn đề 1.2 Mục đích vấn đề nghiên cứu Trên sở nghiên cứu. .. vấn đề nghiên cứu NỘI DUNG CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1 Khái niệm IoT 2.2 Các đặc tính hệ thống IoT 2.3 Các yêu cầu IoT 2.4 Kiến trúc hệ thống IoT MỘT SỐ ĐÁNH GIÁ VÀ TÍNH ỨNG DỤNG CỦA IOT 3.1 Ưu điểm... cho tiểu luận em thêm hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Tieu luan MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii TỔNG QUAN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu 1.2 Mục đich vấn đề nghiên