5.8.5
Inteligentní dům 06: Internet věcí - Protokoly
Ing. Bohumír Číhal
Počítačová síť je topologicky uspořádána do vrstev. Objekty, které v dané vrstvě vykonávají konkrétní činnost (ve vrstvách vyšších software, ve vrstvách nižších hardware) mezi sebou komunikují pomocí pravidel, kterým se říká protokoly. Pro své činnosti využívají služby nižší vrstvy a poskytují služby vrstvě vyšší.
NahoruProtokol IP
Protokol IP (Internet Protocol) je jeden ze základních protokolů použitých při komunikaci v počítačových sítích. Řadí se do rodiny protokolů TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Nachází se na úrovni třetí, tj. síťové vrstvy referenčního modelu ISO/OSI (International Organization for Standardization/Open Systems Interconnection), který vypracovala organizace ISO jako hlavní část snahy o standardizaci počítačových sítí (nazvané OSI) a přijala ho jako mezinárodní normu ISO 7498. Zodpovídá za doručování a směrování paketů (datagramů) od zdroje, např. uživatelského počítače, až k počítači cílovému, kterým může být např. server hostující nějaký webový obsah, napříč sítěmi IP.
ČSN ISO/IEC 7498-4 (369617)
Systémy na spracovanie informácií. Prepojenie otvorených systémov (OSI). Základný referenčný model. Časť 4: Základná štruktúra spracovania.: prosinec 1993.
Tato část mezinárodní normy rozšiřuje ISO/IEC 7498-2 a ISO /IEC 7498-3 pro oblast síťové komunikace. Týká se důležité oblasti správy (management) sítí, pro níž definuje základní pojmy a základní strukturu.
Obr.: Referenční model ISO/OSI
Zkrácený přehled funkcí sedmi vrstev RM ISO/OSI uvádí následující tabulka.
Tab. č. 1: Přehled funkcí vrstev RM ISO/OSI
Data jsou přenášena pomocí tzv. paketů (resp. datagramů), které tvoří základní jednotku komunikace protokolu a jejich směrování probíhá prostřednictvím zdrojových a cílových IP adres. Samotné doručování datagramů pracuje na principu "nejlepšího úsilí" (Best Effort), kdy se všechny aktivní síťové prvky, které se zabývají směrováním na dané trase, snaží dle svých nejlepších možností posunout datagram blíže k cílovému síťovému zařízení. Záruky doručení jsou implementovány v protokolech vyšší vrstvy architektury sítě.
NahoruProtokol IPv6
IPv6 (Internet Protocol Version 6) je nástupce tradičního protokolu IPv4, využívaného pro komunikaci v prostředí sítě Internet. Přináší především velké rozšíření adresního prostoru. Každé síťové zařízení může mít svoji unikátní adresu jednoznačně identifikovatelnou v rámci celosvětové sítě Internet. Reaguje na vzrůstající přenosové rychlosti a moderní komunikační technologie. Obsahuje bezpečnostní mechanismy a podporu mobilních zařízení.
V rámci protokolu existují dvě skupiny zpráv: chybové a informační zprávy. Mezi informační zprávy lze zařadit např. zprávy Dotaz a Odpověď na dotaz, prostřednictvím kterých lze získat základní informace o síťovém zařízení.
Protokol definuje systém pro objevování sousedů pomocí adresy IP síťového zařízení. IPv6 poskytuje tři druhy adres.
-
Individuální (unicast) – každá identifikuje právě jedno síťové rozhraní a data mají být dopravena právě tomuto rozhraní.
-
Skupinové (multicast) – slouží pro adresování skupiny počítačů či jiných zařízení. Odeslaná data na takovou adresu musí být doručena všem zařízením ve skupině.
-
Výběrové (anycast) – označují celou skupinu, data se však odešlou jen jednomu zařízení, které je právě nejblíže.
IPv6 umožňuje, aby určité rozhraní mělo libovolný počet adres různých druhů, dokonce přikazuje několik povinných adres. Předpokládá, že všechna zařízení v jedné fyzické síti budou náležet do stejné podsítě a tudíž mít společný prefix podsítě.
Pro internet věcí je protokol IPv6 důležitý zejména v případě identifikace objektů, kterým je možné díky téměř nevyčerpatelnému počtu adres každému jednomu přidělit vlastní IP adresu a tímto způsobem je přesně určit. Informace o tom přináší dále uvedená norma.
ČSN ISO/IEC -3 (369614)
Informační technologie - Propojení otevřených systémů - Základní referenční model: Pojmenování a adresování: červen 1998
Tato část mezinárodní normy definuje všeobecné mechanismy pro použití jmen a adres k identifikaci a určení umístění objektů v OSIE a definuje použití těchto mechanizmů v rámci vrstvové struktury základního referenčního modelu.
NahoruIoT sítě
V této části textu uvádíme různé typy sítí, ve kterých mohou IoT zařízení fungovat a komunikovat. Kromě starších a všeobecně známých typů sítí jako jsou např. GSM a Wi-Fi uvádíme zejména ty, které vznikaly s účelem sloužit internetu věcí. Nelze obsáhnout všechny typy sítí, proto se budeme zabývat především těmi, které jsou v současné době nejvíce užívané, případně ve kterých fungují některá IoT zařízení, zmíněná v jiných kapitolách,
Mobilní síť GSM
Mobilní síť typu GSM (Global System for Mobile Communications) je nejstarší a nejznámější typ sítě využívaný v oblasti IoT. Standard vyvinutý Evropským ústavem pro telekomunikační normy (ETSI) byl poprvé nasazen ve Finsku v prosinci roku 1991.
Využívání standardních frekvencí GSM k provozu IoT zařízení přináší výhodu v podobě dobrého pokrytí a relativně velkého dosahu, avšak za cenu vysoké energetické náročnosti a také vyšších nákladů na provoz. Z těchto důvodů se přešlo na technologii Extended coverage GSM IoT (EC-GSM-IoT) standardizovanou organizací 3GPP pro použití v licencovaném spektru.
Technologie EC-GSM-IoT je vysokokapacitní buňkový systém s velkým dosahem a nízkou spotřebou energie pro aplikace internetu věcí. Lze ji nasadit ve stávajících sítích GSM pomocí jednoduché aktualizace softwaru. To umožní koexistenci sítí EC-GSM-IoT s běžnými mobilními sítěmi 2G až 5G.
Sítě EC-GSM-IoT, které podporuje většina hlavních výrobců mobilních zařízení, čipových sad a modulů využívají všechny funkce mobilních sítí pro zabezpečení a ochranu soukromí, jako je podpora důvěrnosti identity uživatele, ověřování entit, integrita dat a identifikace mobilních zařízení.
Síť Wi-Fi
Zkratka Wi-Fi (Wireless Fidelity, bezdrátová věrnost) neznamená jen připojení k internetu, jak se velmi často užívá, ale zajištění bezdrátové komunikace. Prakticky slouží jako označení pro standardy IEEE 802.11 (set specifikací pro počítačovou bezdrátovou komunikaci v bezlicenčních frekvenčních pásmech). Označení Wi-Fi se začalo používat od roku 1999. V dnešní době je nejrozšířenější standard 802.11n, který umožňuje maximální přenosovou rychlost až 600 Mbps a dosah zhruba 50 metrů.
Síť Wi-Fi a produkty ji podporující jsou velmi rozšířené a v mnoha domácnostech jsou tzv. "routery" poskytující pokrytí Wi-Fi signálem. Právě rozšířenost Wi-Fi sítí v budovách je jedním z hlavních důvodů, proč ji mnoho IoT zařízení využívá. Na druhou stranu použití běžných standardů Wi-Fi v oblasti IoT s sebou nese vysokou spotřebu energie a pouze průměrný dosah. Proto vznikly nové standardy určené speciálně pro využití v oblasti IoT. Verze 802.11ax (Wi-Fi 6) pracuje na frekvenci 5 Gh a díky technologii MU-MIMO (vícecestné šíření signálu) dokáže komunikovat vysokou rychlostí s více zařízeními současně. Nabízí nižší energetickou náročnost, minimalizaci rušení a lepší dosah. Vyžadují instalaci nových přístupových bodů, nebo hardwarovou úpravu těch stávajících.
Bluetooth Low Energy
Bluetooth Low Energy (BLE) je technologie vytvořena speciálně pro použití v oblasti internetu věcí. Funguje na stejném frekvenčním pásmu jako klasické Bluetooth, což umožňuje zařízením podporovat oba standardy bez nutnosti dvou různých antén. Oproti Bluetooth poskytuje o polovinu nižší spotřebu energie při zachování přibližně stejného dosahu kolem 50 metrů, avšak s nižší maximální přenosovou rychlostí 0.27 Mbps (pro většinu využití v IoT dostačující). BLE je standard vhodný pro oblasti, kde klasický Bluetooth nelze použít – typicky pro připojení jednoduchých snímačů a zařízení napájených knoflíkovou baterií k chytrým telefonům, tabletům nebo komunikačním branám.
Bluetooth Low Energy je hardwarově a softwarově podporován všemi moderními zařízeními a operačními systémy (např. Windows, Android). Kromě poskytování základních služeb obsahuje také řadu profilů, vytvořených speciálně pro konkrétní oblasti využití. Jsou to profily pro hodiny, měření stavu baterie, I/O moduly, zařízení pro automatizaci v budovách (snímače teploty, termostaty, snímače vlhkosti, ovladače osvětlení, vypínače,…
