Tầng khám phá dịch vụ và ứng dụng trong mạng lưới kết nối vạn vật

Tầng khám phá dịch vụ ứng dụng mạng lưới kết nối vạn vật Internet vạn vật, hay Mạng lưới vạn vật kết nối Internet Mạng lưới thiết bị kết nối Internet (Internet of Things - IoT) liên mạng, thi ết bị, phương tiện (thiết bị kết nối, thiết bị thông minh), trang thi ết bị khác nhúng với phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cấu chấp hành với khả kết nối mạng máy tính giúp cho thi ết bị thu thập truyền tải liệu [1] Hình Mô tả tương tác hệ thống IoT Hệ thống IoT cho phép v ật cảm nhận điều khiển từ xa thông qua hạ tầng mạng hữu, tạo hội cho giới thực tích hợp trực tiếp vào hệ thống điện tốn, hệ hiệu năng, độ tin cậy lợi ích kinh tế tăng cường bên cạnh việc giảm thiểu can dự người Một số đặc điểm chung Mạng lưới IoT: - IoT cho phép đối tượng vật lý xem, nghe, suy nghĩ th ực công việc cách cho chúng “nói chuy ện” với nhau, chia sẻ thơng tin phối hợp định - Ứng dụng cần phải phát triển tương ứng để phù hợp với nhu cầu thị trường nhu cầu khách hàng Hơn n ữa, thiết bị cần phải phát triển để phù hợp với yêu cầu sẵn có nơi lúc - Các giao thức yêu cầu cho khả tương thích giao ti ếp thiết bị khác loại với - Kiến trúc Internet cần phải sửa đổi để phù hợp với thách thức IoT số lượng lớn đối tượng kết nối với Internet Vì v ậy, sử dụng không gian địa lớn (ví dụ: IPv6) trở nên cần thiết để đáp ứng nhu cầu khách hàng cho đ ối tượng thông minh - Kiến trúc tiêu chuẩn để tạo xương sống cho IoT - An ninh bảo mật riêng tư yêu c ầu quan trọng cho IoT khơng đồng vốn có đối tượng kết nối Internet khả quản lý đối tượng vật lý - Điều khiển giám sát c IoT đảm bảo việc cung cấp dịch vụ chất lượng cao cho khách hàng với chi phí hiệu (Hình 3) Cùng với cách mạng công nghệ lần thứ giới, Internet kết nối vạn vật không mang đến nhìn lớn hơn, đầy đủ cơng nghệ, ứng dụng tương lai, mà đem đến tiềm ứng dụng thực đáng kinh ngạc Để giao tiếp với ứng dụng triển khai dịch vụ, cần có giao thức để thực thi Bài viết cung cấp nhìn tổng quan kiến trúc, số chi tiết kỹ thuật liên quan đến công nghệ cho phép, giao th ức khám phá dịch vụ, ứng dụng phổ biến sử dụng IoT Kết báo đem đến thông tin quy tắc chuẩn dành cho việc gửi liệu qua kênh truyền thông hai tầng liên quan đến việc triển khai lắp đặt thiết kế hệ thống IoT Kiến trúc IoT: Kiến trúc IoT chia làm tầng sau: 1.1 Tầng đối tượng Lớp đầu tiên, đối tượng (thiết bị) lớp nhận thức, đại diện cho cảm biến vật lý cấu chấp hành IoT mà mục đích để thu thập xử lý thông tin Cơ chế plug-and-play tiêu chuẩn cần phải sử dụng lớp nhận thức để cấu hình đối tượng khơng đồng [3], [4] Các liệu lớn tạo IoT đề xuất lớp 1.2 Tầng khái quát đối tượng - Truyền liệu từ lớp đối tượng đến đến lớp quản lý dịch vụ thông qua kênh bảo mật - Dữ liệu chuyển giao thông qua công ngh ệ RFID, 3G, GSM, UMTS, WiFi, Bluetooth Low Energy, h ồng ngoại, ZigBee,… - Các chức khác điện toán đám mây quy trình qu ản lý liệu xử lý lớp [3] 1.3 Tầng quản lý dịch vụ - Lớp cho phép lập trình viên ứng dụng IoT làm việc với đối tượng không đồng mà không cần xem xét đến tảng phần cứng cụ thể - Ngoài ra, lớp xử lý liệu nhận được, định cung cấp dịch vụ cần thiết giao thức mạng dây [4], [5], [6] 1.4 Tầng ứng dụng - Lớp ứng dụng cung cấp dịch vụ theo yêu cầu khách hàng - Tầm quan trọng lớp cho IoT có kh ả cung cấp dịch vụ thông minh chất lượng cao để đáp ứng nhu cầu khách hàng Các l ớp ứng dụng bao gồm nhiều thị trường nhà thông minh, tịa nhà thơng minh, giao thơng, t ự động hóa công nghiệp y tế thông minh [3], [4], [7] 1.5 Tầng kinh doanh (dịch vụ) - Lớp quản lý IoT tổng thể hoạt động hệ thống dịch vụ - Trách nhiệm lớp để xây dựng mơ hình kinh doanh, bi ểu đồ, sơ đồ, dựa liệu nhận từ lớp ứng dụng - Nó nghĩa vụ để thiết kế, phân tích, thực hiện, đánh giá, giám sát phát triển hệ thống liên quan đến IoT - Hỗ trợ việc phân tích Big data - Giám sát quản lý bốn lớp - So sánh đầu lớp với sản lượng dự kiến để nâng cao dịch vụ trì riêng tư người sử dụng [4], [5] Bài báo tập trung giới thiệu quy tắc chuẩn dành cho việc biểu diễn liệu, chứng thực phát tín hiệu, việc cần thiết để gửi thông tin qua kênh truyền thông tầng liên quan đến việc triển khai dịch vụ thiết kế ứng dụng IoT Các chuẩn truyền thông tầng ứng dụng tầng khám phá dịch vụ IoT Chuẩn chung cho IoT đư ợc đưa World Wide Web Consortium (W3C), Internet Engineering Task Force (IETF), EPCglobal, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) European Telecommunications Standards In stitute (ETSI) 2.1 Chuẩn truyền thông tầng ứng dụng Các giao thức để trao đổi thông tin tầng ứng dụng đa dạng, loại có đặc điểm khác nhau, như: - MQTT giao thức truyền thông N-N để chuyển thông điệp publisher subscriber thơng qua broker trung tâm Cịn CoAP giao th ức 1-1 để chuyển trạng thái thông tin client server MQTT t ạo kết nối TCP lâu dài đến đến broker Client server CoAP đ ều gửi nhận gói tin UDP - Đánh giá hiệu suất XMPP HTML5 WebSocket cho k ết XMPP lựa chọn tốt cho ứng dụng web yêu cầu giao tiếp thời gian thực Sử dụng số trung bình thông điệp trao đổi khách hàng máy chủ khoảng thời gian cụ thể để đánh giá hiệu suất AMQP REST Theo số lượng lớn trao đổi tin nhắn, AMQP chứng minh kết tốt so với dịch vụ web RESTful - Các thử nghiệm đánh giá triển khai DDS giao thức có quy mơ tốt số lượng node mạng tăng lên Mỗi giao thức truyền thông chuẩn cho thiết kế IoT mà thực tốt ứng dụng cụ thể tùy điều kiện, trường hợp để áp dụng Sau phần chi tiết kiến trúc đặc trưng hoạt động chuẩn kết nối tầng ứng dụng IoT 2.1.1 Giao thức ứng dụng ràng buộc CoAP (Constrained Application Protocol) CoAP giao thức truyền tải tài liệu theo mơ hình client/server Internet tương tự giao thức HTTP đư ợc thiết kế cho thiết bị ràng buộc Giao thức hỗ trợ giao thức one-to-one để chuyển đổi trạng thái thông tin client server [8] Các gói CoAP nhỏ nhiều so với dòng HTTP TCP Các trư ờng bit ánh từ chuỗi số nguyên sử dụng rộng rãi để tiết kiệm khơng gian Các gói đơn giản tạo phân tích t ại chỗ mà khơng tốn thêm RAM thi ết bị bị hạn chế CoAP sử dụng UDP (User Datagram Protocol), khơng h ỗ trợ TCP, ngồi hỗ trợ địa broadcast multicast, truy ền thông CoAP thông qua datagram phi kết nối (connectionless) sử dụng giao thức truyền thơng dựa gói UDP dễ dàng triển khai vi ều khiển TCP công cụ bảo mật SSL/TSL s ẵn, nhiên ta có th ể sử dụng Datagram Transport Layer Security (DTLS) đ ể thay CoAP theo mơ hình client/server, client g ửi u cầu đến máy chủ, sau máy chủ gửi lại phản hồi Client GET, PUT, POST DELETE tài ngun CoAP có tính linh động hỗ trợ đàm phán nội dung Điều cho phép client máy chủ nâng cấp, thêm cách độc lập mà ko ảnh hưởng đến phía cịn lại CoAP đưa yêu c ầu quan sát tài nguyên Cả hai bên tác động xóa yêu cầu quan sát Khi cờ quan sát thiết lập, máy chủ tiếp tục hồi đáp sau liệu truyền Với CoAP, máy chủ cung cấp hệ thống tài nguyên cho phép client khám phá tài nguyên phương ti ện truyền thông Trong CoAP nút cảm biến thường máy chủ Chúng có khả nhận gói tin gửi đến để hoạt động đằng sau NAT, thi ết bị phải gửi yêu cầu đến máy chủ, thực LWM2M, cho phép router liên k ết chúng lại 2.1.2 Giao thức giao vận tầm xa MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) m ột giao thức gửi dạng publish/subscribe s dụng cho thiết bị Internet of Things v ới băng thông thấp, độ tin cậy cao khả sử dụng mạng lưới không ổn định Do giao thức MQTT sử dụng tin nhắn gọn nhẹ nên MQTT thư ờng sử dụng để liên lạc thiết bị Ban đầu, MQTT sử dụng cho mạng SCADA Với phát triển IoT MQTT dần trở nên phổ biến nhu cầu kết nối nhiều thiết bị với [9] MQTT gồm thành phần chính Broker Clients: - Broker: Đóng vai trị nơi trung tâm hay Hub - điểm giao tất kết nối đến Clients Broker s ẽ nhận thông điệp/ tin nhắn (message) từ publisher, xếp chúng chuyển thông điệp đến địa cụ thể - Clients: Bất kỳ publisher subscriber kết nối với broker tập trung qua mạng coi khách hàng Đi ều quan trọng cần lưu ý có máy chủ máy khách MQTT C ả publisher subscriber đ ều gọi khách hàng h ọ kết nối với dịch vụ tập trung, khách hàng có th ể liên tục tạm thời Khách hàng liên tục trì phiên với broker khách hàng t ạm thời không broker theo dõi Khách hàng thường kết nối với broker thông qua thư vi ện SDK có sẵn cho C, C++, Go, Java, C#, PHP, Python, Node.js Arduino - Publisher: Mỗi Client nhận liệu trạm khác gửi liệu kênh đăng ký Khi m ỗi client gửi liệu tới kênh đó, gọi Publisher - Subscriber: Publisher s ẽ gửi tin báo tới broker, nhà subscriber s ẽ đăng ký đến theo dõi, nh ận tin Ưu điểm MQTT: Giao thức MQTT cho phép hệ thống SCADA truy cập liệu IoT MQTT mang l ại nhiều lợi ích: - Chuyển thơng tin hiệu quả; - Tăng khả mở rộng; - Giảm tiêu thụ băng thông mạng; - Giảm tốc độ cập nhật xuống; - Tối đa hóa băng thơng có s ẵn; - Chi phí thời gian phát triển thấp; - An toàn bảo mật 2.1.3 Giao thức XMPP (Extensible Messaging and Presence Protocol ) Được đề xuất IETF instant messaging (IM) Extensible Messaging and Presence Protocol (XMPP), trư ớc Jabber, giao th ức mở dựa tảng XML dùng nh ắn tin nhanh (instant messaging) thông tin diện trực tuyến (presence informa tion) Theo Hội Tiêu chuẩn XMPP (XMPP Standards Foundation, trư ớc Jabber Software Foundation, JSF), phần mềm dựa Jabber đư ợc triển khai hàng ngàn máy phục vụ Internet đư ợc 10 triệu người khắp giới sử dụng [10] Jeremie Miller khởi đầu dự án vào năm 1998; phiên b ản công bố vào tháng năm 2000 Sản phẩm dự án jabberd, trình phục vụ (server) để từ trình khách (client) k ết nối đến trao đổi tin nhắn Trình phục vụ tạo mạng Jabber riêng tư (như sau tư ờng lửa) tham gia vào mạng Jabber cơng cộng tồn cầu Đặc tính cốt lõi Jabber chất hệ thống tin nhắn nhanh phân tán vi ệc sử dụng streaming XML Điểm đặc trưng hệ thống Jabber có trans port, cịn gọi gateway (cổng), cho phép ngư ời dùng truy cập mạng với giao thức khác - AIM ICQ (dùng OSCAR), MSN Messenger Windows Messenger (dùng D ịch vụ nhắn tin.NET - NET Messenger Service), Yahoo! Messenger, SMS hay E -mail Khơng trình khách đa giao thức Trillian hay Gaim, vi ệc truy cập đến giao thức khác Jabber cung cấp cấp độ trình phục vụ cách truyền thông tin qua dịch vụ cổng đặc biệt chạy máy tính xa Bất người dùng đăng ký với cổng cách cung cấp thông tin cần thiết để đăng nhập vào mạng đó, từ liên lạc với người dùng mạng khác thể họ người dùng Jabber Điều có nghĩa trình khách h ỗ trợ đầy đủ giao thức Jabber dùng để truy cập mạng có cổng kết nối, mà khơng cần thêm dịng mã lệnh từ trình khách Nền tảng giao thức Jabber, Tổ chức Phần mềm Jabber quản lí, IETF chấp nhận làm giao thức standards-track tên XMPP, với RFC 3920 Nó thường xem đối thủ cạnh tranh với SIMPLE, dựa giao thức SIP, để làm giao thức chuẩn cho nhắn tin nhanh thông báo diện; nhiên, thiết kế XMPP nhắm đến việc cung cấp tiện ích trình trung gian ( middleware) liên ứng dụng mục đích tổng quát Người dùng Jabber xác định tên người dùng tên máy phục vụ, cách dấu @ Căn cước gọi Jabber ID hay JID 2.1.4 Giao thức AMQP (Advanced Message Queuing Protocol) AMQT chuẩn mở giao thức lớp ứng dụng cho IoT tập trung vào môi trường theo định hướng truyền tải thơng điệp AMQP địi hỏi giao thức truyền tải tin cậy TCP để trao đổi tin nhắn Bằng việc xác định wirelevel protocol, tri ển khai AMQP tương tác với Truyền thơng xử lý hai thành phần chính: Trao đ ổi xếp hàng thông ệp Trao đổi sử dụng để định tuyến thông điệp đến hàng đợi thích hợp Định tuyến trao đổi hàng đợi tin nhắn dựa số nguyên tắc điều kiện xác định trước Tin nhắn lưu trữ hàng đợi tin nhắn sau gửi cho người nhận Ngồi kiểu truyền thông point-to-point, AMQP hỗ trợ mô hình truy ền thơng publish/subscribe [11] 2.1.5 Giao thức Dịch vụ phân phối liệu DDS (Data Distribution Service) DDS giao thức dạng publish-subscribe cho giao tiếp M2M thời gian thực phát triển Object Management Group (OMG) Khác v ới dạng publish-subscribe AMQP MQTT, DDS dựa kiến trúc broker sử dụng multicasting để mang lại chất lượng dịch vụ (QoS) độ tin cậy cao cho ứng dụng DDS phù h ợp với kiến trúc ràng bu ộc thời gian cho IoT truyền thông M2M DDS h ỗ trợ 23 sách QoS theo loạt thơng tin liên l ạc tiêu chí an ninh, tính c ấp bách, ưu tiên, độ bền, độ tin cậy giải nhà phát triển [12] Kiến trúc DDS gồm lớp: Data-Centric Publish-Subscribe (DCPS) and Data-Local Reconstruction Layer (DLRL) DCPS có trách nhi ệm cung cấp thơng tin cho thuê bao DLRL m ột lớp tùy chọn phục vụ giao diện với chức DCPS Nó t ạo điều kiện cho việc chia sẻ liệu phân tán đối tượng phân phối Năm thực thể liên quan với dòng liệu lớp DCPS: (1) Publisher phổ biến liệu; (2) DataWriter đư ợc sử dụng ứng dụng tương tác với Publisher giá trị thay đổi liệu cụ thể cho loại định; (3) Subscriber nhận liệu công bố cung cấp chúng cho ứng dụng; (4) DataReader nhân viên c thuê bao để truy cập vào liệu nhận được; (5) Chủ đề liên quan từ DataWriters đến DataReaders xác định kiểu liệu tên Truyền liệu cho phép DDS môi trường ảo để xuất kết nối đăng ký ứng dụng 2.2 Các giao thức truyền thông tầng khám phá dịch vụ (Service Discovery Protocols) Khả mở rộng IoT đòi hỏi chế quản lý nguồn tài nguyên đăng ký, khám phá ngu ồn lực dịch vụ hiệu quả, động tự cấu hình Các giao thức chiếm ưu lĩnh vực multicast DNS (mDNS) DNS Service Discovery (DNS -SD) khám phá nguồn lực dịch vụ cung cấp thiết bị IoT [13], [14] IoT cần số kiến trúc không ph ụ thuộc vào chế cấu hình Thiết bị thơng minh tham gia đóng vai trị n ền tảng rời bỏ mà khơng ảnh hưởng đến hành vi tồn hệ thống mDNS DNS-SD phát triển cho mục tiêu Tuy nhiên, ợc điểm hai giao thức cần thiết cho mục DNS caching đặc biệt nói đến thiết bị có nguồn lực hạn chế Tuy vậy, thời gian đệm cho khoảng cụ thể giải vấn đề 2.2.1 Multicast DNS (mDNS) mDNS dịch vụ cho số ứng dụng IOT thực nhiệm vụ máy chủ DNS unicast [15] Một dịch vụ mDNS linh hoạt thực tế không gian tên DNS sử dụng địa phương khơng c ần thêm chi phí cấu hình mDNS s ự lựa chọn thích hợp cho thiết bị nhúng dựa Internet không c ần phải cấu hình lại, chạy khơng cần sở hạ tầng, tiếp tục làm việc sở hạ tầng thất bại mDNS truy vấn cách gửi tin nhắn IP multicast cho tất nút miền địa phương Bằng cách này, khách hàng yêu c ầu thiết bị đặt để trả lời lại Khi máy tính mục tiêu nhận tên nó, multicast tin nhắn phản ứng, có đ ịa IP Tất thiết bị mạng có tin nhắn phản ứng cập nhật nhớ đệm địa phương tên địa IP 2.2.2 DNS-SD (DNS Service Discovery) Chức kết nối dịch vụ theo yêu cầu khách hàng sử dụng mDNS gọi dịch vụ khám phá dựa DNS (DNS-SD) Sử dụng giao thức này, khách hàng khám phá tập hợp dịch vụ mong muốn mạng cụ thể cách sử dụng thông điệp DNS chuẩn [16] Về bản, DNS-SD sử dụng mDNS để gửi gói tin DNS đ ến địa multicast cụ thể thơng qua UDP Có hai bư ớc để xử lý Service Discovery: Tìm tên máy ch ủ dịch vụ cần thiết máy in cặp địa IP với tên máy chủ sử dụng mDNS Tìm tên máy chủ quan trọng địa IP thay đổi, cịn máy chủ khơng Các chức ghép file đính kèm mạng multicast chi tiết IP, số cổng để máy chủ có liên quan Sử dụng DNS-SD, tên mạng giữ liên tục miễn có độ tin cậy Ví dụ, số khách hàng biết sử dụng máy in cụ thể ngày hôm nay, họ có kích hoạt để sử dụng sau mà không cần cài đặt lại hay gặp vấn đề khác Kết luận Khi vật kết nối với Internet, điều có nghĩa gửi thơng tin ho ặc nhận thông tin, hai Với IoT khả gửi nhận thông tin làm cho m ọi thứ trở nên thông minh, thông minh xu hư ớng công nghệ Kết báo cung cấp kiến thức liên quan đánh giá v ề giao thức tầng ứng dụng tầng khám phá dịch vụ Việc lựa chọn sử dụng triển khai chuẩn truyền thông lớp phụ thuộc vào cơng nghệ sẵn có nhu cầu thực tế, đồng thời khiến cho kỹ sư hay nhà cung c ấp giải pháp thuận lợi chuyên nghiệp thiết kế, chế tạo sản xuất sản phẩm IoT  ... chứng thực phát tín hiệu, việc cần thiết để gửi thơng tin qua kênh truyền thông tầng liên quan đến việc triển khai dịch vụ thiết kế ứng dụng IoT Các chuẩn truyền thông tầng ứng dụng tầng khám phá. .. cung cấp dịch vụ cần thiết giao thức mạng dây [4], [5], [6] 1.4 Tầng ứng dụng - Lớp ứng dụng cung cấp dịch vụ theo yêu cầu khách hàng - Tầm quan trọng lớp cho IoT có kh ả cung cấp dịch vụ thông... Internet kết nối vạn vật không mang đến nhìn lớn hơn, đầy đủ cơng nghệ, ứng dụng tương lai, mà cịn đem đến tiềm ứng dụng thực đáng kinh ngạc Để giao tiếp với ứng dụng triển khai dịch vụ, cần có