构建物联网:连通性和安全性

设备硬件及其互操作性,以便物联网发展并充分发挥其潜力。仍在建设中的其他物联网元素与互联网有关。连接和安全性仍然需要成熟。
例如,短距离无线网络是另一个需要工作的主要物联网构建模块。它用于本地网络,例如:

  • 蓝牙
  • Zigbee
  • 6LoWPAN
  • Thread
  • WirelessHART等工业协议


使用最新版本的蓝牙和Zigbee,这两种协议现在都可以传输IP数据包,正如IDC所代表的那样,它允许一个唯一可识别的端点。仍需要网关/集线器/集中器从短程无线域移动到互联网域。例如,使用蓝牙,智能手机或平板电脑可以成为此网关。
局域网的主要研发工作主要集中在无线电硬件和功耗上,这样我们就可以避免为无线设备,网络拓扑和软件堆栈使用电源线或电池。6LoWPAN及其在谷歌方向上的最新发展,Thread,正在推动这一领域的极限。由于消费者习惯于定期更换技术,例如每隔几年更新一次电脑和智能手机,因此消费市场是这一发展的良好实验室。
物联网中的远程无线网络也需要成熟。事物的连接依赖于现有的IP网络。对于移动物联网设备和难以到达的区域,IP网络主要通过蜂窝系统实现。但是,有多个地方没有蜂窝覆盖。此外,尽管蜂窝电话是有效的,但随着终端设备的数量开始达到大量,它变得太昂贵。用户可以为单个数据计划付费(例如,在汽车中使用蜂窝调制解调器来提供Wi-Fi),但是当操作大型机队时,这种成本很快就会变得过高。
对于没有稳定电源的终端设备 - 例如在农业应用或管道监控中 - 蜂窝电话的使用也不是一个好的选择。蜂窝调制解调器相当耗电。
因此,我们开始在远程无线连接中看到物联网设备流量的新竞争者。一种称为低功率广域网(LPWAN)的新型无线技术已经开始出现。以前您可以选择距离有限的低功率(802.15.4)或更高距离的高功率,LPWAN提供了一个很好的折衷方案:电池供电操作,距离可达30KM。
LPWAN有许多竞争技术,但两种方法特别重要的是LoRa和SIGFOX。
LoRa为协议提供了一个开放的规范,最重要的是,提供了一个开放的业务模型。后者意味着任何人都可以建立一个LoRa网络 - 从个人或私人公司到网络运营商。
SIGFOX是一种超窄带技术。它需要廉价的端点无线电和更复杂的基站来管理网络。电信运营商通常携带最大量的数据; 通常是高频(例如5G),而SIGFOX打算通过使用较低频率来做相反的事情。SIGFOX宣称其消息可以传输长达1,000公里(620英里),每个基站可以处理多达100万个对象,消耗标准蜂窝系统能量的1/1000。如果从端点到基站,SIGFOX通信往往会更好,因为端点上的接收灵敏度不如昂贵的基站。它具有双向功能,但其从基站返回端点的容量受到限制,
SIGFOX和LoRa多年来一直是LPWAN领域的竞争对手。然而,即使使用不同的商业模式和技术,SIGFOX和LoRa也有相同的目标:在城市和全国范围的LPWAN上采用物联网部署。对于物联网,LPWAN解决了连接问题,无需复杂网格或人口密集的星形网络,即可完全覆盖整个建筑物,校园或城市。
LPWAN的优点是蜂窝运营商所熟知的; 事实上,诺基亚,爱立信和英特尔正在合作开发窄带LTE(NB-LTE)。他们认为这是使用LTE为物联网设备供电的最佳途径。NB-LTE代表LTE的优化变体。据他们说,它非常适合物联网市场,因为它易于部署,易于使用并提供强大的电源效率。这三个合作伙伴面临着一系列支持替代技术的竞争利益。其中包括华为和其他支持现有窄带蜂窝物联网提案的公司。
这些技术是解决一些以云为中心的网络挑战的解决方案的一部分。它正在发生,但我们不能说这是今天的主流技术。
互联网问题
除了互联网的无线连接问题之外,还有关于互联网本身的问题。毫无疑问,物联网设备使用互联网协议(IP)。在IPSO联盟成立于2008年,以促进IP收养。去年,该联盟公开宣称所有行业都清楚地知道在物联网设备中使用知识产权。现在的问题是,“如何最好地利用IP?”
例如,当前的IP网络拓扑和层次结构是否能够满足物联网要求?当我们开始考虑在网络中使用网关/集线器/集中器时,它也会引发网络设备使用和数据处理位置的问题。从端点获取数据并将其一直发送到后端系统(云)是否有意义,或者某些本地处理是否会提供更好的系统设计?
全球业界现在的想法是,分布式处理是一种更好的解决方案,但互联网不是那种方式构建的。预测的物联网系统的广度和规模需要在多个层面进行协作,包括硬件,边缘和云端软件,以及使所有“事物”能够进行通信和互操作的协议和数据模型标准。世界网络专家知道,由受限设备和网络组成的当前基础设施根本无法跟上物联网设备产生的数据流量,也无法满足某些系统所要求的低延迟响应时间。鉴于预测的物联网增长,这个问题只会变得更糟。
在他的文章“物联网需要雾计算”中,Prismtech的首席技术官Angelo Corsaro 提出了很多关于我们今天所知的互联网不足的原因。他表示,它必须从云变为雾,以支持新的物联网网络,数据存储和数据处理要求。
现有的以云为中心的网络对于广泛的物联网应用的主要挑战是:

  • 连接(每个设备一个连接)
  • 带宽(大量设备将超过人类通信的数量)
  • 延迟(反应时间必须与应用程序交互的物理实体或过程的动态兼容)
  • 成本(对于系统所有者,每个连接的成本乘以设备数量可能会降低系统的ROI)

这些问题促成了OpenFog联盟(OFC)的成立。OFC的创建是为了定义可组合性架构和雾/边缘/分布式计算方法,包括创建一个参考设计,提供接近终端设备的互操作性。OFC的工作将定义分布式计算,网络,存储,控制和资源的架构,以支持物联网边缘的智能,包括自主和自我感知的机器,物体,设备和智能对象。OFC是另一个实现可扩展物联网的重要组成部分正在开发中的例子。这支持了Gartner的信念,即物联网需要5到10年才能实现主流采用。
然而,关于物联网的大多数媒体报道仍然以云为中心,分享了IT观点。在我看来,IT驱动的云计划是一个重大错误。对于许多物联网构建模块,IT正试图将其技术推向频谱的另一端 - 设备。将IT专有技术应用于嵌入式设备需要更多的硬件和软件,这些软件和软件目前会增加物联网设备的成本。为了使物联网成为现实,边缘设备单位成本需要比我们今天所能达到的要低很多。如果我们尝试将IT技术和流程应用于OT设备,我们就会忽略这一点。
IT假设大型处理器具有大量存储和内存。IT的编程语言和其他软件技术依赖于这些资源的可用性。将IT成本基础架构应用于OT设备并不是正确的方法。不仅需要在硬件方面,而且在系统管理方面需要更多的开发。管理数千或数百万计算设备的网络是一项重大挑战。
保护物联网
现有的互联网架构构成了物联网增长的另一个障碍:安全性。没有一天我没有阅读有关物联网安全要求的文章。该行业仍在分析其含义。我们了解IT安全性,但IT只是物联网的一部分。物联网带来了新的挑战,特别是在网络架构和设备种类方面。
例如,最近的研究表明,当我们包含安全性时,设备到设备的交互复杂性不会扩展。凭借高度多样化的供应商社区,物联网显然需要互操作性。我们还了解到,设备信任(包括设备身份验证和证明)对于保护物联网至关重要。但设备制造商发布的证明密钥会损害用户隐私。第三方证明可能存在专有解决方案,但同样,它们不会扩展。物联网系统中的安全性必须从终端设备开始。设备必须具有不可变的标识。
不幸的是,今天这种情况没有答案。一些芯片供应商确实有解决方案。但是,它们是专有解决方案,这意味着必须为每个芯片供应商定制设备上运行的软件。
封闭式专有系统的安全性是可以实现的,特别是当攻击面较小时。然而,一旦我们将系统打开到公共网络技术,并且正在考虑来自多个来源的数据关联的指数增益,安全性就成为一个不会很快解决的组合问题。利用在系统之间交换数据所需的语义互操作性和应用层协议互操作性,转换网关引入了可信第三方和新/不同数据模型/序列化格式,这进一步使组合系统的复杂性复杂化。
IT领域的优势在于运行在英特尔或类似架构上,并以Windows或Linux作为主要操作系统。在嵌入式领域中,除了核心之外没有其他东西(除了核心 - 大部分时间都是ARM-但外围设备都是不同的,即使在相同的硅供应商产品组合中也是如此)。对于嵌入式系统中使用的微控制器和微处理器,还有许多实时操作系统(RTOS),从开源系统到商用RTOS。为了降低嵌入式系统成本并实现规模经济,该行业将需要标准化所使用的硬件和软件。否则,“事物”的开发和生产成本将保持很高,并且危及达到预期的数十亿设备。
 
幸运的是,技术社区已经确定了几种物联网设计模式。设计模式是针对常见问题的通用可重用解决方案。虽然不是可以直接转换为硬件或代码的完成设计,但设计模式是如何解决可在许多不同情况下使用的问题的描述或模板。
这些物联网设计模式在IETF RFC 7452和最近的Internet Society IoT白皮书中有所描述。一般来说,我们认识到五类模式:

  • 设备到设备
  • 设备到云
  • 网关
  • 后端数据可移植性
  • 基于IP的设备到设备

每种设计模式的安全解决方案正在开发中。但仍有大量工作要做。
最后,所有这些工作都会导致数据隐私,遗憾的是,这不仅是一个技术问题,也是一个合法的问题。谁拥有这些数据,拥有者可以用它做什么?可以出售吗?可以公开吗?
正如您所看到的,在我们为这些安全问题提供解决方案之前,我们需要多年的工作。但问题正在被提出,并且根据这个说法,问问题已经是答案的50%了!
结论
我的目标不是阻止任何人开发和部署物联网系统 - 事实上恰恰相反。存在开发物联网系统的构建块。这些块可能太昂贵,太笨重,可能达不到可接受的性能水平,并且可能不安全,但它们存在。
我们今天的立场类似于汽车时代初期的立场。第一辆车没那么快,并且有无数的安全问题!一个世纪之后,我们正在考虑自动驾驶汽车的问世。对于物联网,它不会需要一个世纪。如前所述,Gartner认为物联网将需要五到十年才能实现主流采用。我同意,我个人也在努力开发一些实现这一目标所需的部分。
还有很多问题。大约10年前,业界一直在询问IP是否是正确的网络技术。今天很清楚。知识产权是必须的。现在的问题是,“我们如何使用它”?我们经常听到的另一个问题是,“物联网的投资回报率是多少”?这种技术可带来的成本和收入(或成本节约)是多少?在物联网真正起飞之前,这些问题需要扎实的答案。
挑战也很多。在设计系统时,您可能会发现设计所需的传感器/执行器,处理器,网络技术,存储,数据处理和分析方面的限制。没有软件就无法实现物联网,并且在有软件的地方,有错误修复和功能增强。为了实现软件可升级性,系统需要设计为允许此功能。系统硬件和操作成本可能更高,以达到计划的系统寿命。
总而言之,今天可以开发和部署物联网系统。随着新技术的引入,越来越多的系统概念可以产生积极的影响。此类系统的良好示例包括车队管理和许多消费者计划。物联网由许多移动部件组成,其中许多部件都有当前主要的研发项目。在未来几年,我们将看到许多领域的巨大进步。
那么物联网实现的真正挑战不是技术。他们存在。面临的挑战是它们的综合成本和性能达到了部署预测的数十亿物联网设备所需的水平。

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