báo cáo chương i mạng kết nối vạn vật

Tiền đề cơ bản làđể các cảm biến thông minh cộng tác trực tiếp mà không cần sự tham gia củacon người để cung cấp một lớp mới của các ứng dụng.. sẻ thông tin và để điều phối các quyết địn

VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ KINH TẾ SỐ

BÁO CÁO CHƯƠNG I

Nhóm : 5

******************

I Lời mở đầu 1

II Cơ hội thị trường 3

III Kiến trúc IoT 4

IV Các thành phần của IoT 7

A Identification (Định danh) 7

B Sensing (Cảm biến) 8

C Communication (Truyền thông) 8

D Computation (Tính toán) 10

E Services (Dịch vụ) 11

F Semantics (Ngữ nghĩa) 12

V IOT COMMON STANDARD (Tiêu chuẩn IoT chung) 12

A Giao thức ứng dụng (Application Protocols) 12

1 Constrained Application Protocol (CoAP) 12

2 Message Queue Telemetry Transport (MQTT) 14

3 Giao thức hiện diện và nhắn tin mở rộng (XMPP) 15

4 Giao thức xếp hàng tin nhắn nâng cao (AMQP) 16

5 Dịch vụ phân phối dữ liệu (DDS) 16

B Giao thức khám phá dịch vụ 17

1 Multicast DNS (mDNS) 17

2 DNS service discovery (DNS-SD) 18

C Giao thức cơ sở hạ tầng 18

1 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks (RPL) 18

2 6LowPAN 19

3 IEEE 802.15.4 20

4 Bluetooth năng lượng thấp 20

5 EPCglobal 21

6 LTE-A (Long Term Evolution—Advanced) 22

7 Z-Wave 22

D Các giao thức có ảnh hưởng khác 23

1 Security 23

2 Khả năng tương tác (IEEE 1905.1) 23

IoT được kích hoạt bởi những phát triển mới nhất về RFID, cảm biếnthông minh, công nghệ truyền thông và các giao thức Internet Tiền đề cơ bản là

để các cảm biến thông minh cộng tác trực tiếp mà không cần sự tham gia củacon người để cung cấp một lớp mới của các ứng dụng Cuộc cách mạng hiện tại

về Internet, điện thoại di động và công nghệ từ máy đến máy (M2M) có thểđược coi là công nghệ đầu tiên giai đoạn của IoT Trong những năm tới, IoT dựkiến sẽ là cầu nối công nghệ đa dạng để kích hoạt các ứng dụng mới bằng cáchkết nối các đối tượng vật lý cùng nhau để hỗ trợ việc ra quyết định thông minh

sẻ thông tin và để điều phối các quyết định bằng cách tận dụng những công nghệ

cơ bản của nó ví dụ như tính toán có mặt ở khắp mọi nơi và diễn ra tại bất cứthời điểm nào, thiết bị nhúng, công nghệ truyền thông, mạng cảm biến, các giaothức và ứng dụng Internet Các đối tượng thông minh cùng với các nhiệm vụcủa chúng tạo thành các ứng dụng miền cụ thể (thị trường dọc) trong khi máytính và phân tích phổ biến các dịch vụ hình thành các dịch vụ độc lập miền ứngdụng (thị trường ngang)

Hình 1 Minh họa khái niệm tổng thể về IoT

Theo thời gian, IoT dự kiến sẽ có một ngôi nhà quan trọng và ứng dụngkinh doanh, để đóng góp vào chất lượng cuộc sống và phát triển nền kinh tế thếgiới.Để nhận ra tiềm năng này tăng trưởng, các công nghệ và đổi mới mới nổicũng như các ứng dụng dịch vụ cần phát triển tương ứng để phù hợp với nhu cầuthị trường và nhu cầu của khách hàng Hơn nữa, các thiết bị cần phải được pháttriển để phù hợp với yêu cầu của khách hàng về tính khả dụng mọi lúc mọi nơi.Ngoài ra, các giao thức mới được yêu cầu cho khả năng tương thích giao tiếpgiữa những thứ không đồng nhất (đồ dùng sinh hoạt, xe cộ, điện thoại, đồ giadụng, hàng hóa, v.v.)

Hơn nữa, tiêu chuẩn hóa kiến trúc có thể được coi là xương sống cho IoTnhằm tạo ra một môi trường cạnh tranh cho các công ty để cung cấp các sảnphẩm chất lượng Ngoài ra, kiến trúc Internet truyền thống cần được sửa đổi để

phù hợp với những thách thức của IoT Ví dụ như không gian lưu trữ, bảo mật vàquyền riêng tư, cung cấp các dịch vụ chất lượng cao cho khách hàng với chi phíhiệu quả.

II Cơ hội thị trường

IoT mang lại cơ hội thị trường lớn cho các nhà sản xuất thiết bị, nhà cungcấp dịch vụ Internet và nhà phát triển ứng dụng Các ứng dụng chăm sóc sứckhỏe và sản xuất là dự kiến sẽ tạo thành tác động kinh tế lớn nhất với kỳ vọng

sẽ tạo ra khoảng 1,1– 2,5 nghìn tỷ đô la tăng trưởng hàng năm của nền kinh tếtoàn cầu vào năm 2025 Toàn bộ tác động kinh tế hàng năm do IoT được ướctính nằm trong khoảng từ 2,7 nghìn tỷ USD đến 6,2 nghìn tỷ USD bởi Năm2025

Hình 2 Thị phần dự kiến của các ứng dụng IoT

III Kiến trúc IoT

IOT có thể kết nối với hàng tỷ các đối tượng không đồng nhất thông quaInternet

 cần kiến trúc phân lớp linh hoạt

Có rất nhiều mô hình kiến trúc cơ bản được đề ra, nhưng mô hình cơ bảngồm 3 lớp: Application, Network, Perception Layers ( lớp Ứng dụng, lớp Mạng

và lớp Nhận thức)

Gần đây, có một số tài liệu đề xuất thêm các mô hình khác để trừu tượnghóa thêm kiến trúc IOT phổ biến trong đó là mô hình kiến trúc 5 tầng (lớp) (khácvới các lớp của TCP/IP) 5 tầng đó như sau:

Thu thập và xử lý thông tin

Cấu tạo: bao gồm các cảm biến và thiết bị truyền dẫn để thực hiệncác chức năng như truy vấn vị trí, nhiệt độ, trọng lượng,…

Cơ chế: sử dụng cơ chế chuẩn hóa plug- and- play để cấu hình cácđối tượng không đồng nhất, số hóa và chuyển dữ liệu đến thứ 2thông qua các kênh bảo mật

Dữ liệu lớn được khởi tạo tại lớp này

Object

Abstraction Layer

(tầng Trừu tượng

hóa Đối tượng)

Tầng này chuyển dữ liệu (được sản sinh ra từ Object Layer) đếnService Management Layer thông qua các kênh bảo mật như:RFID, 3G, GSM, UMTS, Wifi,….Những chức năng khác nhưđiện toán đám mây và quy trình quản lý dữ liệu được thực hiện tạitầng này

Ghép nối dịch vụ với người yêu cầu thông qua địa chỉ và tên, xử

lý dữ liệu đã nhận, cung cấp dịch vụ qua mạng giao thức dây

Application

Layer (Tầng Ứng

Cung cấp dịch vụ thông minh chất lượng cao để đáp ứng nhu cầucủa khách hàng

dụng) Tầng Ứng dụng bao phủ rất nhiều các thị trường dọc như tòa nhà

thông minh, giao thông, tự động hóa công nghiệp và chăm sócsức khỏe thông minh

Business Layer Quản lý tổng thể các hoạt động và dịch vụ của hệ thống IOT:

+ Xây dựng mô hình kinh doanh, đồ thị, lưu đồ,… dữliệu nhận được từ Application Layer

+ Thiết kế, phân tích, thực hiện, đánh giá, giám sát vàphát triển

+ Hỗ trợ các quy trình ra quyết định dựa trên phân tích

Dữ liệu lớn+ Giám sát và quản lí 4 tầng phía trên+ So sánh đầu ra mỗi tầng với đầu ra mong đợi để nângcao dịch vụ và duy trì chính sách người dùng

Composition” (thành phần hóa các dịch vụ) trên cái kiến trúc SOA tiêu tốn khánhiều thời gian và năng lượng của thiết bị.

Trong mô hình 5 tầng, Application Layer là tầng giao diện người dùngcuối cùng tương tác, kiểm soát truy cập dữ liệu và cung cấp 1 giao diện choBusiness Layer để tạo ra báo cáo phân tích

Các cơ chế điều khiển của việc truy cập dữ liệu của Application Layernằm trong lớp Business Layer Lớp này thường được chạy trên các thiết bị mạnh

mẽ nhất vì sự phức tạp và nhu cầu tính toán cao của nó

Mô hình 5 tầng trên là mô hình thực dụng nhất cho các ứng dụng IOT

IV Các thành phần của IoT

A Identification (Định danh)

Chức năng: IoT đặt tên và khớp dịch vụ với nhu cầu

Các phương pháp định danh:

● Mã sản phẩm điện tử (EPC) và mã phổ biến (uCode)

● IPv6 và IPv4: phương thức gán địa chỉ các đối tượng Việc phân địa chỉ cácđối tượng IoT là rất cần thiết nhằm phân biệt giữa ID đối tượng và địa chỉcủa nó ID đối tượng đề cập đến tên của nó, địa chỉ của đối tượng đề cập đếnđịa chỉ của nó trong một mạng lưới truyền thông → Phân biệt danh tính vàđịa chỉ đối tượng là bắt buộc

● 6LoWPAN cung cấp cơ chế nén qua các header của IPv6, làm cho địa chỉIPv6 thích hợp với mạng lưới không dây công suất thấp.

B Sensing (Cảm biến)

Chức năng: thu thập dữ liệu từ các đối tượng liên quan trong mạng và gửi

nó trở lại kho dữ liệu, cơ sở dữ liệu hoặc đám mây Dữ liệu thu thập được sẽđược phân tích để đưa ra hành động cụ thể dựa trên các dịch vụ được yêu cầu

Ví dụ: các bộ cảm biến thông minh, thiết bị truyền động hoặc thiết bị cảmbiến đeo được

Máy tính bo mạch đơn (SBC) tích hợp với các cảm biến và TCP / IP tíchhợp và các chức năng bảo mật thường được sử dụng để hiện thực hóa các sảnphẩm IoT Các thiết bị như vậy thường kết nối với một cổng quản lý trung tâm

để cung cấp các dữ liệu theo yêu cầu của khách hàng

C Communication (Truyền thông)

Chức năng: kết nối các đối tượng không đồng nhất với nhau để cung cấpcác dịch vụ thông minh cụ thể

Các giao thức truyền thông thông thường: Wifi, Bluetooth, IEEE802.15.4, Z-Wave và LTE-Advanced

Các công nghệ liên lạc cụ thể: RFID, Near Field Communication (NFC)

và ultra-wide bandwidth (UWB - băng thông cực rộng)

● Thẻ RFID đại diện cho một con chip hoặc nhãn đính kèm để cung cấp danhtính của đối tượng.

● Đầu đọc RFID truyền tín hiệu truy vấn đến thẻ và nhận tín hiệu phản hồi từthẻ, tín hiệu này sau đó sẽ được chuyển đến cơ sở dữ liệu

● Cơ sở dữ liệu kết nối đến một trung tâm xử lý để xác định các đối tượng dựatrên tín hiệu phản hồi thu về trong phạm vi (10 cm đến 200 m)

Thẻ RFID có thể là chủ động, bị động hoặc bán bị động / chủ động Cácthẻ chủ động chạy bằng pin trong khi thụ động không cần pin

II Giao thức NFC

Giao thức NFC hoạt động ở băng tần cao 13.56 MHz và hỗ trợ tốc độ dữliệu lên đến 424 kbps Phạm vi áp dụng lên đến 10 cm trong đó giao tiếp giữađầu đọc chủ động và thẻ thụ động hoặc hai đầu đọc chủ động có thể xảy ra.Công nghệ truyền thông UWB được thiết kế để hỗ trợ thông tin liên lạc trongvùng phủ sóng phạm vi thấp sử dụng công suất thấp và băng thông cao mà cácứng dụng kết nối với các cảm biến đã được tăng cường gần đây

Sử dụng sóng radio (2.4 GHz, 5 GHz hoặc 60 GHz.) để trao đổi dữ liệu giữamọi thứ trong phạm vi 100 m.WiFi cho phép các thiết bị thông minh giao tiếp vàtrao đổi thông tin mà không cần sử dụng bộ định tuyến trong một số cấu hình “adhoc”

IV.Bluetooth

Sử dụng bước sóng vô tuyến ngắn để giảm thiểu điện năng tiêu thụ

V IEEE

Xác định lớp vật lý và phương tiện kiểm soát truy cập cho các mạng khôngdây công suất thấp tập trung tới các hệ thống truyền tải thông tin đáng tin cậy và cókhả năng mở rộng.

VI LTE (Long-Term Evolution - Tiến hóa dài hạn)

Là một tiêu chuẩn truyền thông không dây để truyền dữ liệu tốc độ caogiữa các điện thoại di động dựa trên công nghệ mạng GSM / UMTS LTE-A(LTE Advanced) là một phiên bản đã được cải thiện của LTE bao gồm phần mởrộng băng thông hỗ trợ lên đến 100 MHz, ghép kênh phân chia theo không giandownlink và uplink, phạm vi phủ sóng mở rộng, thông lượng cao hơn và độ trễthấp hơn

D Computation (Tính toán)

Các đơn vị xử lý (ví dụ: vi điều khiển, bộ vi xử lý, SOC, FPGA) và cácứng dụng phần mềm đại diện cho “bộ não” và khả năng tính toán của IoT Hơnnữa, nhiều nền tảng phần mềm được sử dụng để cung cấp các chức năng IoT.Trong số các nền tảng này, Hệ điều hành rất quan trọng vì chúng chạy trong toàn

bộ thời gian kích hoạt của một thiết bị Một số Hệ điều hành thời gian thực(RTOS) là ứng cử viên sáng giá cho việc phát triển các ứng dụng IoT dựa trênRTOS như: Contiki RTOS, TinyOS, RiotOS, LiteOS

Ngoài ra nền tảng đám mây cũng là một thành phần quan trọng trong phầntính toán của IoT, nó cung cấp cơ sở vật chất để các đối tượng thông minh gửi

dữ liệu của họ lên đám mây, để dữ liệu lớn được xử lý trong thời gian thực vàcuối cùng là người dùng cuối được hưởng lợi từ kiến thức được trích xuất từ dữliệu lớn được thu thập

E Services (Dịch vụ)

Các dịch vụ của IoT có thể được chia thành 4 lớp:

● Dịch vụ định danh; là dịch vụ quan trọng và cơ bản nhất Mọi ứng dụng cầnđưa các đối tượng thd giới thực sang thế giới ảo đều phải xác định danh tính

● Dịch vụ tổng hợp thông tin: thu thập và tóm tắt các phép đo cảm quan thôcần được xử lý và báo cáo cho ứng dụng IoT Ví dụ : chăm sóc sức khoẻthông minh và mạng lưới thông minh

● Dịch vụ cộng tác: sử dụng dữ liệu thu được để đưa ra quyết định và phảnứng phù hợp Ví dụ : nhà thông minh, hệ thống giao thông thông minh và tựđộng hoá công nghiệp

● Dịch vụ phổ biến: cung cấp Dịch vụ Cộng tác-Nhận thức bất cứ lúc nào,cho bất cứ ai và bất cứ nơi nào Ví dụ: Thành phố thông minh.

F Semantics (Ngữ nghĩa)

Ngữ nghĩa trong IoT đề cập đến khả năng trích xuất kiến thức một cách thôngminh bởi các máy khác nhau để cung cấp các dịch vụ được yêu cầu Ngoài ra, nóbao gồm việc nhận biết và phân tích dữ liệu để đưa ra quyết định đúng đắn trongviệc cung cấp dịch vụ chính xác Do đó, ngữ nghĩa đại diện cho bộ não của IoTbằng cách gửi các nhu cầu đến đúng tài nguyên Yêu cầu này được hỗ trợ bởi cáccông nghệ Web ngữ nghĩa như Khung mô tả tài nguyên (RDF) và Ngôn ngữ bảnthể học web (OWL)

V IOT COMMON STANDARD (Tiêu chuẩn IoT chung)

Nhiều tiêu chuẩn IoT được đề xuất để tạo điều kiện thuận lợi và đơn giảnhóa các công việc của lập trình viên ứng dụng và nhà cung cấp dịch vụ.Phân loại các giao thức:

Application Protocols (Giao thức ứng dụng)

Service Discovery Protocols (Giao thức khám phá dịch vụ)

Infrastructure Protocols (Giao thức cơ sở hạ tầng )

Influential Protocols (Giao thức có ảnh hưởng khác)

A Giao thức ứng dụng (Application Protocols)

1 Constrained Application Protocol (CoAP)

- Nhóm IETF Constrained RESTful Environments (CoRE) đã tạo CoAP, làmột giao thức lớp ứng dụng cho các ứng dụng IoT

- CoAP định nghĩa một giao thức truyền web dựa trên REpresentationalState Transfer (REST) trên giao thức HTTP.

- CoAP nhằm mục đích cho phép các thiết bị nhỏ bé với năng lượng thấp cókhả năng giao tiếp, tính toán và có thể sử dụng các tương tác RESTful

- CoAP có thể được chia thành hai lớp con:

 Lớp con truyền tin (messaging)

 Lớp con yêu cầu/phản hồi (request/response)

- CoAP sử dụng bốn loại thông điệp:

 Code đại diện cho phương thức yêu cầu (1-10) hoặc mã phản hồi 255).

(40 Một số tính năng quan trọng do CoAP cung cấp bao gồm:

 Resource observation (Quan sát tài nguyên)

 Block-wise resource transport (Vận chuyển tài nguyên theo khối)

 Resource discovery (Khám phá tài nguyên)

 Interacting with HTTP (Tương tác với HTTP)

 Security (Bảo mật)

2 Message Queue Telemetry Transport (MQTT)

- MQTT là một giao thức truyền tin được Andy Stanford-Clark của IBM vàArlen Nipper của Arcom (nay là Eurotech) giới thiệu vào năm 1999 và được chuẩnhóa vào năm 2013 tại OASIS

- MQTT nhằm mục đích kết nối các thiết bị và mạng nhúng với các ứng dụng

- Hai thông số kỹ thuật chính cho MQTT: MQTT v3.1 và MQTT-SN (trướcđây gọi là MQTT-S) V1.2

- Các thông số kỹ thuật cung cấp ba yếu tố: connection semantics (ngữ nghĩakết nối), routing (định tuyến) và endpoint (điểm cuối)

- MQTT đơn giản bao gồm ba thành phần: subscriber, publisher, và broker

- Quy trình xuất bản / đăng ký được sử dụng bởi MQTT

- Định dạng thông báo được sử dụng bởi giao thức MQTT

3 Giao thức hiện diện và nhắn tin mở rộng (XMPP)

- XMPP là một tiêu chuẩn nhắn tin tức thời (IM) IETF được sử dụng để tròchuyện nhiều bên, gọi thoại và video cũng như điện thoại

- XMPP được phát triển bởi cộng đồng mã nguồn mở Jabber để hỗ trợ mộtgiao thức nhắn tin mở, an toàn, không có thư rác và phi tập trung

- XMPP cho phép người dùng liên lạc với nhau bằng cách gửi tin nhắn tức thìtrên Internet cho dù họ đang sử dụng hệ điều hành nào

- XMPP cho phép các ứng dụng IM đạt được xác thực, kiểm soát truy cập, đolường quyền riêng tư, mã hóa từng bước và đầu cuối cũng như khả năng tươngthích với các giao thức khác

- Nhiều tính năng của XMPP làm cho nó trở thành giao thức ưa thích của hầuhết các ứng dụng IM và có liên quan trong phạm vi của IoT

- Nó chạy trên nhiều nền tảng dựa trên Internet theo kiểu phi tập trung