Уже завтра множество датчиков и устрои ств позволят людям взаимодеи ствовать с окружающеи их средои , позволяя компаниям предлагать по запросу услуги «реального мира», представляя этот «мир» в виде цифровых значении .

Каждыи день дома, на работе, в движении, удаленных местах или где-либо ещё люди пользуются устрои ствами, использующими М2М (machine-to-machine) соединения. Примером могут служить ключи от автомобиля, наручные часы, синхронизирующиеся с телефоном, телефон, которыи передает предпочтения пользователя на телевизор. Более того, сеи час человек оперативно получает данные с медицинских датчиков, пользуется интерактивными гидами и множеством других сервисов.

Существующие сети проектировались для доставки различных видов пакетов и типов данных. Однако в скором времени может возникнуть потребность в создании новых типов устрои ств и приложении [1].

Условно можно разделить Интернет вещеи (ИВ, Internet of Things, IoT) на промышленныи и бытовои . Промышленныи ИВ является неким развитием автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП). Примером может служить автомобиль, данные о состоянии узлов которого собираются и отправляются в сервисныи центр, а при необходимости замены, формируется заказ на выпуск, сервисныи центр получает детали, а владелец информацию о необходимости замены [2].

Под бытовым Интернетом вещеи можно понимать устрои ства, повседневно используемые людьми: телевизоры с выходом в сеть, умные часы, системы «умного дома» и другие.

Существует несколько вариантов архитектур Интернета вещеи . Первыи вариант -сеть локального доступа, при которои пользователь напрямую подключается к устрои ствам ИВ («вещам»), как правило, с помощью мобильных устрои ств. В основном, в этом случае используются протоколы Bluetooth Low Energy и WiFi. «Вещи», при таком варианте, взаимодеи ствовать между собои не могут [3].

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

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

Четвертыи 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». Взаимодеи ствие 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 сеи час 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 деи ствия 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, интерфеи с 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. Устрои ства, работающие под управлением даннои технологии, могут функционировать длительное время от небольшои батареи ки. Преимуществом даннои технологии является возможность устанавливать соединение с устрои ствами, работающими со стандартнои технологиеи Bluetooth [8].

На данныи момент Интернет использует стек протоколов TCP/IP для взаимодеи ствия 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 объема хранилищ данных, чем сеи час [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 серьеӟную 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 устрои ствам, которым это необходимо сеи час 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 распространенными 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 устрои ствами 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 ненадеӝных 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 устрои ствами 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 объему, и расходуют меньше заряда батареи при отправке [3].

Интернет вещеи предполагает повсеместное подключение устрои ств. В качестве беспроводных технологии для подключения «вещеи » к Интернету наиболее активно используются сети сотовои связи. Разработка систем пятого поколения 5G ведется с учетом потребностеи Интернета вещеи в низкои задержке, низком энергопотреблении и малом размере кадра. Разрабатываются также, так называемые распределенные 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, устрои ств. 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 взаимодеи ствовать с другими объектами. Как правило, сеи час в качестве таких «вещеи » рассматриваются устрои ства с ограниченными ресурсами, такие датчики и механизмы/приводы. [16] Однако Интернет вещеи может включать в себя и взаимодеи ствие 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. Сеи час 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 взаимодеи ствовать датчикам и приводам с помощью таких устрои ств 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 создает и потребляет незначительное количество трафика, и вероятнее всего данныи трафик не сможет оказать негативного воздеи ствия. Однако перспектива Интернета вещеи объединить в сеть абсолютно любые вещи может привести в будущем к перегрузке существующих сетеи передачи данных трафиком большого количества устрои ств.

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 устрои ствами, которые подключаются к сенсорным сетям [17].

Для исследования был взят wifi-модуль ESP8266. На данныи момент это один популярных модулеи для создания миниатюрных беспроводных устрои ств 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 трех режимах работы: фоновом, получении команды и передачи данных датчика. На рисунках 1 и 2 показан процесс обмена данными между устрои ством и облачным сервером в фоновом режиме. 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 баи т. Данное исследование трафика показало, как отличие работы разных решении прикладного уровня модели OSI, так и общие признаки трафика устрои ств, используемых при создании Интернета вещеи . Так, около 80% пакетов, передаваемых между устрои ством и сервером, имеет размер менее 80 баи т при использовании обоих проектов.

Преобладание пакетов малого размера у таких устрои ств может создавать проблемы для современных сетеи при продвижении трафика при стремительном увеличении таких устрои ств в будущем ввиду более высоких накладных расходов на их обработку по сравнению с пакетами больших размеров.

Перспективами дальнеи шеи работы являются исследование свои ств консолидированного трафика при одновременнои работе множества беспроводных устрои ств с датчиками и последующее моделирование влияния трафика Интернета вещеи на современные сети, где источниками трафика вместо одиночных узлов будут выступать сети сенсоров и датчиков, с помощью уже отлаженнои имитационнои модели [18] с учетом выявленных в даннои работе характерных размеров пакетов.