Во втором варианте пользователь взаимодеиствует с «вещами» через локальныи шлюз, используя различные протоколы модели OSI (Open System Interconnection, модель взаимодеиствия открытых систем). При такои архитектуре узлы могут передавать информацию друг другу или образовывать связи в случае отсутствия прямого подключения к шлюзу. Широко применяется сеичас стандарт IEEE 802.15.4 для решения подобных задач [ 3 ].

Третии вариант подразумевает подключение пользователя к шлюзу через некии удалённыи прокси-сервер/прокси-сеть, называемые «облако». Это обусловлено отсутствием публичного IPадреса у шлюза по причинам безопасности, а также отсутствием публичного IP-адреса у устроиства пользователя, которыи необходим для получения push-уведомлении от «вещеи» [ 3 ].

Четвёртыи вариант предполагает прямое подключение «вещеи» к сети Интернет. Это означает, что «вещи» и образованные ими сети должны использовать протокол IP для передачи данных. Более того, в даннои архитектуре невозможен локальныи доступ к «вещам». Доступ осуществляется только через «облако». Взаимодеиствие между «вещами» организуется сложнее, чем в случаях с шлюзом. При построении такои архитектуры важное место должно отводиться безопасности передаваемых данных [ 3 ].

Интернет вещеи ставит ряд задач перед протоколом канального уровня: топология сети, стоимость, задержка, пропускная способность, безопасность и ряд других. Наиболее используемыми сеичас являются IEEE 802.15.4, WiFi и Bluetooth Low Energy.

Стандарт IEEE 802.15.4 отвечает за реализацию канала связи. Он определяет два нижних уровня модели OSI: канальныи, уровень доступа к среде (МАС), и физическии уровень передачи данных в среде распространения (PHY). [ 4 ] На основе данного стандарта работают такие стеки протоколов как ZigBee и WirelessHART [ 5, 6 ].

Стандарт IEEE 802.11 (WiFi) не проектировался для использования в сенсорных сетях, которые характеризуются малыми энергопотреблением и стоимостью, небольшим радиусом деиствия и низкои пропускнои способностью. Как альтернатива некоторым технологиям сенсорных сетеи был разработан low-power WiFi (LP-WiFi). Обычная система LP-WiFi включает микроконтроллер с низким энергопотреблением, блок управления энергопотреблением, интерфеис ввода-вывода для датчиков, а также беспроводную подсистему. LP-WiFi по своим характеристикам сравним со стандартом IEEE 802.15.4 [ 7 ].

Bluetooth Low Energy (BLE) – технология стандарта Bluetooth версии 4 с низким энергопотреблением. Устроиства, работающие под управлением даннои технологии, могут функционировать длительное время от небольшои батареики. Преимуществом даннои технологии является возможность устанавливать соединение с устроиствами, работающими со стандартнои технологиеи Bluetooth [ 8 ].

На данныи момент Интернет использует стек протоколов TCP/IP для взаимодеиствия между сетевыми узлами, которыи был предложен достаточно давно. В свою очередь Интернет вещеи объединяет миллиарды объектов, которые будут создавать намного больше трафика и требовать намного большего объёма хранилищ данных, чем сеичас [ 9 ].

Главнои проблемои протокола IPv4 на сегодняшнии день является длина поля адреса всего в 32 бита, и как следствие, истощение его адресного пространства. Это ставит серьёзную задачу перед всем интернет-сообществом, потому что последние адресные блоки были распределены в 2011 году [ 10 ].

На смену используемому протоколу был создан новыи – IPv6. Протокол использует 128 бит для поля адреса, и позволяет назначить собственные сетевые адреса всем устроиствам, которым это необходимо сеичас и в обозримом будущем. Однако заголовок пакета IPv6 не менее чем в два раза превышает размер заголовка пакета IPv4 [ 11 ].

Для решения проблемы уменьшения энергопотребления, а также проблемы конвергенции сенсорных сетеи с сетями IP, был создан и активно развивается стандарт 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks). Он описывает сжатыи формат IPv6 для передачи его по сетям на основе IEEE 802.15.4. [ 12 ] Аналогичное решение существует для передачи пакета IPv6 через BLE [ 13 ].

На уровне приложении наиболее распространёнными и используемыми являются протоколы MQTT и CoAP. MQTT является классическим протоколом типа издатель-подписчик, тогда как CoAP – это протокол типа запрос/ответ, основанныи на REST шаблоне.

MQTT (Message Queue Telemetry Transport) – протокол обмена сообщениями между устроиствами по принципу издатель-подписчик, работающии поверх протокола TCP. Данныи протокол был создан для использования в сетях с низкои полосои пропускания, сетях с высокои задержкои или ненадёжных сетях [ 14 ].

CoAP (Constrained Application Protocol) – протокол прикладного уровня, работающии на основе REST (Representational State Transfer) шаблонов, и схож протоколом HTTP с точки зрения работы с REST шаблонами. Протокол CoAP является бинарным и работает поверх UDP, в отличие от HTTP. Данныи протокол используется устроиствами и сетями с ограниченными ресурсами [ 15 ].

Формат данных, при обмене информациеи с датчиками, может быть либо текстовым, либо бинарным. Текстовыи обычно удобнее для человека, тогда как бинарныи тяжелее для отладки в случае возникновения ошибок. Однако, данные, закодированные в бинарныи формат, обычно, намного меньше по объёму, и расходуют меньше заряда батареи при отправке [ 3 ].

Интернет вещеи предполагает повсеместное подключение устроиств. В качестве беспроводных технологии для подключения «вещеи» к Интернету наиболее активно используются сети сотовои связи. Разработка систем пятого поколения 5G ведётся с учётом потребностеи Интернета вещеи в низкои задержке, низком энергопотреблении и малом размере кадра. Разрабатываются также, так называемые распределённые сети с низким энергопотреблением (Low-power Wide-area Network, LPWAN), особенностью которых является низкая скорость передачи и большая зона покрытия [ 2 ].

За последние годы Интернет вещеи набрал большую популярность. Разрабатывается ряд проектов, технологии, стандартов, устроиств. В контексте Интернета вещеи, «вещь» является объектом физического или информационного мира. Она должна быть уникально идентифицирована и интегрирована в сеть, то есть иметь адрес и способность взаимодеиствовать с другими объектами. Как правило, сеичас в качестве таких «вещеи» рассматриваются устроиства с ограниченными ресурсами, такие датчики и механизмы/приводы. [ 16 ] Однако Интернет вещеи может включать в себя и взаимодеиствие с бытовыми приборами, транспортом или другои техникои.

На сегодняшнии день эксперты приходят к выводу об отсутствии единои концепции развития Интернета вещеи [ 16 ]. Это происходит по причине объединения различного рода технологии и задач под единыи термин Интернета вещеи: сенсорные сети, бытовая техника, транспорт и транспортная инфраструктура, промышленность, медицина и множество других сфер. Сеичас можно судить о том, что Интернет вещеи активно развивается, но говорить о его унификации пока ещё рано.

Существует ряд проектов, которые позволяют воплощать в жизнь Интернет вещеи на бытовом уровне. Примерами могут служить проекты DeviceHive, Kaa project, Blynk и другие. Эти решения позволяют взаимодеиствовать датчикам и приводам с помощью таких устроиств как контроллер Arduino, миниатюрныи wifi-модуль ESP8266, домашнии маршрутизатор, микрокомпьютер, передатчики Bluetooth и BLE, и приложениям, написанным на различных языках и работающих на разных платформах, использовать wifi-сети с прямым доступом в Интернет или, например, ZigBee-сети, используя шлюз [ 17 ].

Для рядового пользователя наиболее быстрым решением внедрения Интернета вещеи является домашняя (личная) wifi-сеть. Передающии модуль с подключенными к нему датчиками создаёт и потребляет незначительное количество трафика, и вероятнее всего данныи трафик не сможет оказать негативного воздеиствия. Однако перспектива Интернета вещеи объединить в сеть абсолютно любые вещи может привести в будущем к перегрузке существующих сетеи передачи данных трафиком большого количества устроиств.

Для изучения даннои проблемы было принято решение использовать имитационные модели IP-сетеи с подключенными к сенсорными сетями. Для создания адекватнои модели появляется необходимость узнать характеристики трафика, генерируемого устроиствами, которые подключаются к сенсорным сетям [ 17 ].

Для исследования был взят wifi-модуль ESP8266. На данныи момент это один популярных модулеи для создания миниатюрных беспроводных устроиств сбора и передачи информации об окружающеи среде через Интернет. Было использовано два разных программных обеспечения: DeviceHive и Blynk. Оба проекта имеют открытыи исходныи код, а также предоставляют для использования облачные сервисы.

Работа модуля была протестирована в трёх режимах работы: фоновом, получении команды и передачи данных датчика. На рисунках 1 и 2 показан процесс обмена данными между устроиством и облачным сервером в фоновом режиме.

Рис. 2. Передача данных в фоновом режиме (Blynk) В таблице 1 представлены данные за 5 минут работы в фоновом режиме. Как видно из рисунков 1 и 2, а также таблицы 1, в первом случае передача данных происходит реже, чем во втором и общее количество переданных пакетов меньше в два раза, но при этом размер пакетов больше. Стоит отметить, что в обоих случаях около 70% пакетов имели размер не более 80 баит. Таблица 1. Данные фонового режима Количество пакетов Максимальныи размер пакета, баит Минимальныи размер пакета, баит