ITU IoT Reference Model và nêu ý nghĩa mỗi tầng (layer) -Đức Tài

Câu hỏi 1: Hãy trình bày ITU IoT Reference Model và nêu ý nghĩa mỗi tầng (layer)?

ITU IoT Reference Model (Liên minh Viễn thông Quốc tế) đã phát triển một mô hình chung đại diện cho bốn lớp chức năng để cung cấp khả năng kết nối lẫn nhau của mọi thứ bằng cách sử dụng các ứng dụng IoT, với tất cả các lớp được hỗ trợ bởi cả khả năng  quản lý và bảo mật cụ thể và chung.

1. Lớp ứng dụng - Các ứng dụng IoT

2. Hỗ trợ dịch vụ và lớp hỗ trợ ứng dụng - Khả năng hỗ trợ Gneric và Khả năng hỗ trợ cụ thể

3. Lớp mạng - khả năng kết nối mạng và khả năng truyền tải

4. Lớp thiết bị - khả năng của thiết bị và khả năng của cổng

Câu hỏi 2: Các giao thức tương ứng của "Main IoT Protocols" tương ứng với tầng (layer) nào của mô hình TCP/IP

Các giao thức và tiêu chuẩn IoT được phân loại rộng rãi thành hai loại riêng biệt. Đó là:

  1. Giao thức dữ liệu IoT ((Presentation / Application layers)
  2. Giao thức mạng cho IoT (Datalink / Physical layers)

IoT Data Protocols

Giao thức dữ liệu IoT được sử dụng để kết nối các thiết bị IoT công suất thấp. Chúng cung cấp giao tiếp với phần cứng ở phía người dùng - mà không cần bất kỳ kết nối internet nào.

Kết nối trong các tiêu chuẩn và giao thức dữ liệu IoT thông qua mạng có dây hoặc mạng di động. Một số ví dụ về giao thức dữ liệu IoT là:

MQTT (Vận chuyển từ xa xếp hàng đợi tin nhắn)

MQTT (Message Queueing Telemetry Transport) là một giao thức dữ liệu IoT nhẹ. Nó có  mô hình nhắn tin nhà xuất bản-người đăng ký  và cho phép luồng dữ liệu đơn giản giữa các thiết bị khác nhau.

Điểm bán hàng chính của MQTT là kiến ​​trúc của nó. Cấu tạo di truyền của nó là cơ bản và nhẹ, do đó, nó có thể cung cấp mức tiêu thụ điện năng thấp cho các thiết bị. Nó cũng hoạt động dựa trên giao thức TCP / IP.

Các giao thức dữ liệu IoT được thiết kế để giải quyết các mạng truyền thông không đáng tin cậy. Điều này đã trở thành một nhu cầu trong thế giới IoT do ngày càng có nhiều đối tượng nhỏ, rẻ và công suất thấp hơn xuất hiện trong mạng trong vài năm qua.

Mặc dù MQTT thích ứng rộng rãi - đáng chú ý nhất là một tiêu chuẩn IoT với các ứng dụng công nghiệp - nó không hỗ trợ chế độ cấu trúc quản lý thiết bị và biểu diễn dữ liệu xác định. Do đó, việc triển khai các khả năng quản lý dữ liệu và thiết bị là hoàn toàn dựa trên nền tảng hoặc nhà cung cấp cụ thể.

CoAP (Giao thức ứng dụng bị ràng buộc)

CoAp (Constrained Application Protocol) là một giao thức lớp ứng dụng. Nó được thiết kế để giải quyết nhu cầu của các hệ thống IoT dựa trên HTTP. HTTP là viết tắt của Hypertext Transfer Protocol, và nó là nền tảng của giao tiếp dữ liệu cho World Wide Web.

Mặc dù cấu trúc hiện tại của internet có sẵn miễn phí và có thể sử dụng được bởi bất kỳ thiết bị IoT nào, nhưng nó thường quá nặng và tiêu tốn điện năng đối với hầu hết các ứng dụng IoT.

 Điều này đã dẫn đến việc nhiều người trong cộng đồng IoT loại bỏ HTTP như một giao thức không phù hợp với IoT.

Tuy nhiên, CoAp đã giải quyết hạn chế này bằng cách chuyển mô hình HTTP thành việc sử dụng trong các thiết bị và môi trường mạng hạn chế. Nó có chi phí cực kỳ thấp, dễ sử dụng và có khả năng cho phép hỗ trợ đa hướng.

Do đó, nó lý tưởng để sử dụng trong các thiết bị có giới hạn về tài nguyên, chẳng hạn như  vi điều khiển IoT  hoặc các nút WSN. Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến năng lượng thông minh và tự động hóa tòa nhà.

AMQP (Giao thức xếp hàng thư nâng cao)

Giao thức xếp hàng thư nâng cao (AMQP) là một giao thức lớp ứng dụng tiêu chuẩn mở được sử dụng cho các thư giao dịch giữa các máy chủ.

Các chức năng chính của giao thức IoT này như sau:

  • Nhận và đặt tin nhắn trong hàng đợi
  • Lưu trữ tin nhắn
  • Thiết lập mối quan hệ giữa các thành phần này

Với mức độ bảo mật và độ tin cậy, nó được sử dụng phổ biến nhất trong các cài đặt yêu cầu môi trường phân tích dựa trên máy chủ, chẳng hạn như ngành ngân hàng. Tuy nhiên, nó không được sử dụng rộng rãi ở những nơi khác. Do tính nặng của nó, nó không phù hợp với các thiết bị cảm biến IoT có bộ nhớ hạn chế. Do đó, việc sử dụng nó vẫn còn khá hạn chế trong thế giới IoT.

DDS (Dịch vụ phân phối dữ liệu)

DDS (Dịch vụ phân phối dữ liệu) là một giao thức IoT có thể mở rộng khác cho phép truyền thông chất lượng cao trong IoT. 

Tương tự như MQTT, DDS cũng hoạt động với mô hình nhà xuất bản - người đăng ký.

Nó có thể được triển khai trong nhiều cài đặt, từ đám mây đến các thiết bị rất nhỏ. Điều này làm cho nó trở nên hoàn hảo cho các hệ thống nhúng và thời gian thực. Hơn nữa, không giống như MQTT, giao thức DDS cho phép trao đổi dữ liệu có thể tương tác, độc lập với phần cứng và nền tảng phần mềm.

HTTP (Giao thức truyền siêu văn bản)

Chúng tôi đã đề cập ngắn gọn về mô hình HTTP (Giao thức truyền siêu văn bản) trước đây. Như đã đề cập, giao thức HTTP không được ưa thích như một tiêu chuẩn IoT vì chi phí, thời lượng pin, tiêu thụ điện năng lớn và các vấn đề về trọng lượng.

Điều đó đang được nói, nó vẫn được sử dụng trong một số ngành công nghiệp. Ví dụ: sản xuất và in 3-D dựa vào giao thức HTTP do lượng lớn dữ liệu mà nó có thể xuất bản. Nó cho phép kết nối PC với máy in 3-D trong mạng và in các vật thể ba chiều.

WebSocket

WebSocket ban đầu được phát triển vào năm 2011 như một phần của  sáng kiến ​​HTML5 . Thông qua một kết nối TCP duy nhất, các thông báo có thể được gửi giữa máy khách và máy chủ.

Giống như CoAp, giao thức kết nối tiêu chuẩn của WebSocket giúp đơn giản hóa nhiều sự phức tạp và khó khăn liên quan đến việc quản lý các kết nối và giao tiếp hai chiều trên internet.

Nó có thể được áp dụng cho mạng IoT nơi dữ liệu được giao tiếp liên tục trên nhiều thiết bị. Do đó, bạn sẽ thấy nó được sử dụng phổ biến nhất ở những nơi hoạt động như máy khách hoặc máy chủ. Điều này bao gồm môi trường thời gian chạy hoặc thư viện.

Network Protocols for IoT

Bây giờ chúng ta đã đề cập đến các giao thức dữ liệu IoT, chúng ta sẽ xem xét các giao thức mạng khác nhau cho IoT.

Các giao thức mạng IoT được sử dụng để kết nối các thiết bị qua mạng. Những bộ giao thức này thường được sử dụng qua internet. Dưới đây là một số ví dụ về các giao thức mạng IoT khác nhau.

 

Wifi

Không thể phủ nhận rằng Wi-Fi là giao thức IoT nổi tiếng nhất trong danh sách này. Tuy nhiên, vẫn có giá trị giải thích cách thức hoạt động của giao thức IoT phổ biến nhất.

Để tạo mạng Wi-Fi, bạn cần một thiết bị có thể gửi tín hiệu không dây. Bao gồm các:

  • Điện thoại
  • Máy vi tính
  • Bộ định tuyến

Điều đó đang được nói, danh sách vẫn tiếp tục.

Wi-Fi cung cấp kết nối internet đến các thiết bị lân cận trong một phạm vi cụ thể. Một cách khác để sử dụng Wi-Fi là tạo điểm phát sóng Wi-Fi. Điện thoại di động hoặc máy tính có thể chia sẻ kết nối internet không dây hoặc có dây với các thiết bị khác bằng cách phát tín hiệu.

Wi-Fi sử dụng sóng vô tuyến phát thông tin trên các tần số cụ thể, chẳng hạn như kênh 2,4 GHz hoặc 5 GHz. Hơn nữa, cả hai dải tần số này đều có một số kênh mà qua đó các thiết bị không dây khác nhau có thể hoạt động. Điều này ngăn chặn việc tràn mạng không dây.

Phạm vi 100 mét là điển hình của kết nối Wi-Fi. Điều đó đang được nói, phổ biến nhất được giới hạn trong 10-35 mét. Các tác động chính đến phạm vi và tốc độ của kết nối Wi-Fi là môi trường và việc nó cung cấp phạm vi phủ sóng bên trong hay bên ngoài.

Bluetooth

Khi so sánh với các giao thức mạng IoT khác được liệt kê ở đây, Bluetooth có xu hướng nhảy tần số và có phạm vi thường ngắn hơn. Tuy nhiên, nó đã có được một cơ sở người dùng khổng lồ do tích hợp vào các thiết bị di động hiện đại - điện thoại thông minh và máy tính bảng, để đặt tên cho một vài cặp đôi - cũng như công nghệ có thể đeo được, chẳng hạn như tai nghe không dây.

Công nghệ Bluetooth tiêu chuẩn sử dụng sóng vô tuyến ở dải tần ISM 2,4 GHz và được gửi dưới dạng gói đến một trong 79 kênh. Tuy nhiên, chuẩn Bluetooth 4.0 mới nhất có 40 kênh và băng thông 2Mhz. Điều này đảm bảo truyền dữ liệu tối đa lên đến 3 Mb / s.

Công nghệ mới này được biết đến với tên gọi khác là Bluetooth Low Energy (BLE) và có thể là nền tảng cho các ứng dụng IoT yêu cầu tính linh hoạt, khả năng mở rộng đáng kể và mức tiêu thụ điện năng thấp.

ZigBee

Các mạng dựa trên ZigBee tương tự như Bluetooth theo nghĩa là nó đã có một cơ sở người dùng đáng kể trong thế giới IoT.

Tuy nhiên, các thông số kỹ thuật của nó hơi lu mờ so với Bluetooth được sử dụng phổ biến hơn. Nó có mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, phạm vi dữ liệu thấp, bảo mật cao và có phạm vi giao tiếp xa hơn (ZigBee có thể đạt 200 mét, trong khi Bluetooth đạt tối đa 100 mét)

Đó là một giao thức trao đổi dữ liệu gói tương đối đơn giản và thường được thực hiện trong các thiết bị có yêu cầu nhỏ, chẳng hạn như vi điều khiển và cảm biến. Hơn nữa, nó dễ dàng mở rộng quy mô đến hàng nghìn nút. Điều này không có gì ngạc nhiên khi nhiều nhà cung cấp đang cung cấp các thiết bị hỗ trợ mô hình cấu trúc liên kết lưới tự lắp ráp và tự phục hồi tiêu chuẩn mở của ZigBee.

Z-Wave

Z-Wave là một giao thức IoT ngày càng phổ biến. Đó là công nghệ truyền thông không dây, tần số vô tuyến (RF) chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng gia đình IoT.

Nó hoạt động trên tần số vô tuyến 800-900MHz. Mặt khác, Zigbee hoạt động trên 2.4GHz, đây cũng là tần số chính của Wi-Fi. Bằng cách hoạt động trong phạm vi riêng của mình, Z-Wave hiếm khi gặp phải bất kỳ sự cố nhiễu sóng đáng kể nào. Tuy nhiên, tần suất hoạt động của thiết bị Z-Wave phụ thuộc vào vị trí, vì vậy hãy đảm bảo bạn mua thiết bị phù hợp với quốc gia của mình.  Z-Wave là một giao thức IoT ấn tượng.

Tuy nhiên, giống như ZigBee, nó tốt nhất được sử dụng trong gia đình chứ không phải trong thế giới kinh doanh.

LoRaWan

LoRaWAN là một giao thức IoT kiểm soát truy cập phương tiện (MAC).

LoRaWAN cho phép các thiết bị công suất thấp giao tiếp trực tiếp với các ứng dụng được kết nối internet qua kết nối không dây tầm xa.

Hơn nữa, nó có khả năng được ánh xạ tới cả lớp thứ 2 và thứ 3 của mô hình OSI.

Nó được triển khai trên điều chế LoRa hoặc FSK cho các băng tần vô tuyến công nghiệp, khoa học và y tế (ISM).

Câu hỏi 3: Hãy trình bày mô hình "7 Level IoT Reference Model" và giải thích từng "level"?

Level 1: Physical Devices and Controllers (“Things” in IoT)

  • Chuyển đổi tín hiệu
  • Tạo dữ liệu
  • Được truy cập/điều khiển qua mạng

Level 2: Connectivity (Communication and processing units)

  • Giao tiếp các thiết bị vật lý (“Things”)
  • Phân phối tin cậy giữa mạng/các mạng
  • Định tuyến/chuyển mạch
  • Trung gian cho các giao thức khác nhau
  • Bảo mật cho cấp độ mạng
  • Phân tích mạng

Level 3: Edge (Fog) computing (Data element analysis and transformation)

  • Lọc, dọn dẹp và tổng hợp dữ liệu
  • Kiểm tra nội dung gói tin
  • Phân tích mức dữ liệu và mạng
  • Thiết lập ngưỡng
  • Tạo sự kiện

Level 4: Data accumulation (Storage)

  • Chuyển đổi dữ liệu đang chuyển động thành dữ liệu dừng
  • Chuyển đổi định dạng từ gói mạng sang bảng quan hệ cơ sở dữ liệu
  • Đạt được quá trình chuyển đổi từ tính toán "Dựa trên sự kiện" sang điện toán "Dựa trên truy vấn”
  • Giảm dữ liệu thông qua lọc và lưu trữ có chọn lọc

Level 5: Data abstraction (Aggregation & access)

  •  Đối chiếu nhiều định dạng dữ liệu từ các nguồn khác nhau
  • Đảm bảo ngữ nghĩa nhất quán của dữ liệu giữa các nguồn
  • Xác nhận rằng dữ liệu đã hoàn tất cho ứng dụng cấp cao hơn
  • Hợp nhất dữ liệu vào một nơi hoặc cung cấp quyền truy cập vào nhiều kho dữ liệu thông qua ảo hóa dữ liệu
  • Bảo vệ dữ liệu với xác thực và ủy quyền thích hợp
  • Chuẩn hóa hoặc khử chuẩn hóa và lập chỉ mục dữ liệu để cung cấp ứng dụng nhanh truy cập
  • Tóm tắt dữ liệu (tổng hợp & truy cập): Tóm tắt giao diện dữ liệu cho các ứng dụng

Level 6: Application (Reporting, analytics, control)

  • Giám sát dữ liệu thiết bị
  • Điều khiển các thiết bị
  • Kết hợp dữ liệu thiết bị và dữ liệu không phải thiết bị

Level 7: Collaboration and processes (People and business)

  •  Khai thác thương mại

 

Câu hỏi 4: Hãy so sánh mô hình OSI 7 lớp với mô hình mô hình tham chiếu IoT 7 mức (level)?

Lớp vật lý

Lớp vật lý là lớp thấp nhất của mô hình OSI. Lớp này quản lý việc tiếp nhận và truyền dòng bit thô không có cấu trúc qua một phương tiện vật lý. Nó mô tả các giao diện điện / quang học, cơ học và chức năng đối với môi trường vật lý. Lớp vật lý mang tín hiệu cho tất cả các lớp cao hơn.  Trong Windows, lớp vật lý được thực hiện bởi thẻ giao diện mạng (NIC), bộ thu phát của nó và phương tiện mà NIC được gắn vào.

Lớp liên kết dữ liệu

Lớp liên kết dữ liệu gửi các khung giữa các địa chỉ vật lý và chịu trách nhiệm phát hiện và khôi phục lỗi xảy ra trong lớp vật lý.

Lớp liên kết dữ liệu được Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE) chia thành hai lớp con: điều khiển truy cập phương tiện (MAC) và điều khiển liên kết logic (LLC).

MAC

Lớp con MAC quản lý quyền truy cập vào lớp vật lý, kiểm tra lỗi khung và quản lý nhận dạng địa chỉ của các khung đã nhận. Trong kiến trúc mạng Windows, lớp con MAC được thực hiện trong NIC. NIC được điều khiển bởi một trình điều khiển thiết bị phần mềm được gọi là trình điều khiển miniport . Windows hỗ trợ một số biến thể của trình điều khiển miniport bao gồm trình điều khiển miniport WDM, trình quản lý cuộc gọi miniport (MCM) và trình điều khiển trung gian miniport .

LLC

Lớp con LLC cung cấp khả năng truyền các khung dữ liệu từ nút này sang nút khác không có lỗi. Lớp con LLC thiết lập và kết thúc các liên kết logic, kiểm soát luồng khung, trình tự các khung, xác nhận các khung và truyền lại các khung chưa được xác nhận. Lớp con LLC sử dụng xác nhận khung và truyền lại để cung cấp khả năng truyền hầu như không có lỗi qua liên kết đến các lớp ở trên.

 

Trong Windows, lớp con LLC được thực thi bởi một trình điều khiển phần mềm được gọi là trình điều khiển giao thức .

Lớp mạng

Lớp mạng kiểm soát hoạt động của mạng con. Lớp này xác định đường dẫn vật lý mà dữ liệu sẽ đi, dựa trên những điều sau:

Điều kiện mạng

Ưu tiên của dịch vụ

Các yếu tố khác, chẳng hạn như định tuyến, kiểm soát lưu lượng, phân mảnh khung và lắp ráp lại, ánh xạ địa chỉ logic-vật lý và tính toán sử dụng Lớp mạng được thực hiện bởi một trình điều khiển giao thức .

 

Lớp vận chuyển

Lớp truyền tải đảm bảo rằng các thông điệp được gửi không có lỗi, theo trình tự và không bị mất hoặc trùng lặp. Lớp này giúp các giao thức lớp cao hơn không phải lo lắng về việc truyền dữ liệu với các giao thức ngang hàng của chúng.

Cần có một lớp truyền tải tối thiểu trong các ngăn xếp giao thức bao gồm một mạng đáng tin cậy hoặc lớp con LLC cung cấp khả năng mạch ảo. Ví dụ: vì trình điều khiển truyền tải NetBEUI dành cho Windows là lớp con LLC tuân thủ OSI, các chức năng của lớp truyền tải của nó là tối thiểu.

Nếu ngăn xếp giao thức không bao gồm lớp con LLC và nếu lớp mạng không đáng tin cậy và / hoặc hỗ trợ các biểu đồ dữ liệu (như với lớp IP của TCP / IP hoặc lớp IPX của NWLink), thì lớp truyền tải phải bao gồm trình tự khung và xác nhận, cũng như truyền lại các khung chưa được xác nhận.

 

Câu hỏi 5: Hãy cho biết giao thức 6LoWPAN phù hợp đề cập ở lớp (Layer, Level) nào tương ứng với các mô hình TCP/IP, 7 Level IoT Reference Model và ITU IoT Reference Model?

Lớp mạng: Lớp mạng của giao thức IoT giúp các thiết bị riêng lẻ giao tiếp với bộ định tuyến.

IP: Nhiều giao thức IoT sử dụng IPv4, trong khi các thực thi gần đây hơn sử dụng IPv6. Bản cập nhật gần đây cho IP này định tuyến lưu lượng truy cập trên internet và xác định và định vị các thiết bị trên mạng.

6LoWPAN: Giao thức IoT này hoạt động tốt nhất với các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp có khả năng xử lý hạn chế.

END