ПРЕСС-ЦЕНТР

«Интернет вещей» и стандарты беспроводной связи

Сис Линкс (Cees Links), Greenpeak technologies

Как показывает история, если случается война стандартов, то она одинаково невыгодна и победителям, и проигравшим. Война стандартов дорого обходится ещё и потому, что она тормозит развитие рынков, поскольку и клиенты, и компании бездействуют и ждут, когда же «всё устаканится». Это справедливо и для «Интернета вещей». «Интернет вещей» - великолепная возможность, уже создаются разнообразные приложения, но для их массового внедрения велика роль унифицированной стандартизации.

На пути развития инициатив, связанных со стандартизацией технологий, возникают, как показывает опыт, волны войн и волны плодотворного сотрудничества. Классический пример - так называемая «война» между VHS и Betamax (в районе 1980 г.), которая существенно задержала развитие рынка домашнего видео. Другой пример войны стандартов гораздо ближе к нашему времени (где-то в 2007 г.). Это война оптических DVD-дисков между Blue-ray и HD-DVD.

Итоги этих двух технологических баталий с очевидностью показали, что ничего хорошего в подобных войнах нет и что даже победители страдают от застоя в своём развитии и задержки их рыночного признания. Взлёт экономической активности, связанный с унификацией стандартов, всегда резко контрастирует с рыночным застоем, порождённым конкуренцией между стандартами или, якобы проприетарными, «псевдостандартами».

Заканчиваются войны стандартов обычно тогда, когда большая компания или доминирующая на рынке группа компаний делает выбор и создаёт критическую массу соответствующих продуктов. В 1999 году компания Apple решила использовать в своих лаптопах Wi-Fi, и через несколько месяцев после этого решения компания HomeRF практически исчезла с рынка. Нечто подобное случилось с Betamax и HD-DVD, когда Голливуд поддержал всей своей массой VHS и Blu-ray. Однако нокауты такого типа со стороны той или иной компании обычно происходят после многолетних дорогостоящих акций по поливанию своих конкурентов грязью и затяжного застоя на рынке.

За что бьются в области «Интернета вещей» и кто ведущие Игроки?

После серьёзных войн между стандартами практически всегда наступает период сотрудничества. Первоначальный стандарт DVD (1995 г.) был принят без особой борьбы, возможно, потому, что большие компании ещё не забыли о войне VHS/Betamax и порождённых ею экономических потерях. Поэтому принятие рынком стандарта DVD произошло удивительно быстро и видеокассеты исчезли практически за одну ночь. Обзор основных соперников в сфере стандартов беспроводной связи для «Интернета вещей» представлен на рис. 1.

Рис. 1. Обзор различных стандартов беспроводной связи для «Интернета вещей» в контексте многоуровневой модели ISO

Рис. 1. Обзор различных стандартов беспроводной связи для «Интернета вещей» в контексте многоуровневой модели ISO

Для простоты я опустил стандарты сотовой связи, несмотря на то, что их роль в «Интернете вещей» (и в так называемом бизнесе M2M) всё же важна. Однако всякого рода конкуренция среди этих стандартов – тема отдельного разговора. Я также опустил технологию RFID, тоже весьма полезную для «Интернета вещей» с точки зрения безопасности, но менее дискуссионную, поскольку она выступает, скорее, в роли электронного шрих-кода, чем в роли реальной (дуплексной) связи. Также для простоты я опустил проприетарные псевдостандарты типа ANT+, Z-Wave и EnOcean. Причина проста: я полагаю, что, как и другие «нестандартные» проприетарные стандарты, они через несколько лет не выдержат конкуренции с международным стандартами, которые будут широко приняты данной отраслью.

Таким образом, поле битвы связных стандартов для «Интернета вещей» можно разделить на три горизонтальных уровня (или комбинации уровней): 1) физический/канальный уровень («коннектор»), 2) сетевой/транспортный уровень («беспроводной кабель») и 3) прикладной уровень («кто-то делает что-то для кого-то»).

Физический/канальный уровень

За физический/канальный уровень (рис. 2) в нашей отрасли ведётся несколько критически важных боёв. Так, в 1990-х годах Ethernet (IEEE 802.3) сражался с Token Ring (IBM) и ARCnet (Datapoint). А 1999 году Bluetooth (Bluetooth SIG) воевал с Wi-FI (IEEE 802.11). Это закончилось, когда оба последние стандарта нашли свои собственные устойчивые прикладные ниши и смогли окопаться ввиду возможной перспективы следующего раунда (Wi-FI Direct в атаке на Bluetooth). Далее война перекинулась в область сетей с малым энергопотреблением (low power networking). Уже не стоит удивляться, что против IEEE 802.15.4, который доминирует на этом рынке, острят мечи Wi-FI (c «low power Wi-FI ») и Bluetooth (с «Bluetooth Low Energy»), стремясь тоже поучаствовать в борьбе за маломощные сети.

Рис. 2. Системы с большой нагрузкой на физический/канальный уровень и ограниченным энергопотребленем

Рис. 2. Системы с большой нагрузкой на физический/канальный уровень и ограниченным энергопотребленем

Всё же следует отметить, что на этом уровне доминируют всемирно принятые открытые стандарты – в основном на базе IEEE – и в реальности война практически закончилась, поскольку большинство разногласий разрешены в рамках органов по стандартизации.

Все три основных IEEE-стандарта всё ещё конкурируют за захват как можно большей части рынка приложений. Однако все они – IEEE 802.11/Wi-FI для совместного использования и распространения контента (Content Sharing), 802.15.4/ZigBee для передачи датчиковой и управляющей информации по маломощным сетям (Low Power Sense & Control Networking) и Bluetooth для замены кабелей в носимых устройствах (Wearables) – кажется, нашли свои основные прикладные ниши и будут с нами ещё длительное время.

Сетевой/транспортный уровень

В прошлом были серьёзные битвы и за сетевой/транспортный уровень. Это довольно тёмная область, где когда-то доминировали такие продукты и компании, как LAN Manager (IBM, Microsoft), Netware (Novell), и некоторые другие. Однако её «демократизировало» сообщество Internet Engineering Task Force (IETF) со своим  протоколом TCP/IP, который хорошо известен как распространённый сейчас IPv4 и появившийся позднее IPv6 – вклад сообщества IETF в «Интернет вещей». Также IETF создал стандарт 6LoWPAN (IPv6 over Wireless Personal Area Networks – IPv6 поверх беспроводных персональных сетей), который позволяет передавать трафик IPv6 по маломощным беспроводным ячеистым сетям (mesh) (рис. 3).

Рис. 3. Сетевой/транспортный уровень

Рис. 3. Сетевой/транспортный уровень

Недавно компания Google /Nest адаптировала 6LoWPAN как часть протокола Thread, благодаря чему Thread сразу получил кредит доверия и вступил в прямую конкуренцию с ZigBee PRO, ещё одним претендентом на эту нишу. Протоколы ZigBee PRO и Thread (на базе одного и того же физического/канального уровня IEEE 82.15.4) обладают относительно друг друга определёнными преимуществами. Поддерживая IPv6, протокол Thread хорошо интегрирован в мир IP. Что же касается ZigBee, то он уже широко принят, интегрирован с по-настоящему большой и тщательно протестированной прикладной библиотекой (см. ниже), доказал свою защищённость и удобство применения, и при этом тоже может взаимодействовать с IPv6.

В данный момент консорциум Google/Nest Thread Alliance пытается объединить вокруг себя как можно больше участников, чтобы подтолкнуть продвижение протокола Thread, но процесс идёт относительно медленно: пока менее 100 членов, в то время как в консорциуме ZigBee более 400 участников. Интересно, что многие члены альянса Thread входят также и в консорциум ZigBee! До тех пор, пока стандарт Thread не будет опубликован, эта ситуация останется неопределённой и, как отмечено ранее, приведёт к выжидательному поведению на рынке «Интернета вещей», что, к сожалению, замедлит его развитие.

Чтобы ещё больше усложнить ситуацию, в этой сфере есть и другая группа, которая «мутит воду» на сетевом/транспортном уровне. В консорциуме Bluetooth (Bluetooth SIG) серьёзно пытаются развить у протокола Bluetooth «способности к организации сети». Другими словами, консорциум Bluetooth пытается добиться того, чтобы сетевой уровень протокола Bluetooth мог поддерживать набор «носимых компьютеров» (гаджетов) не только вокруг одного устройства, но и расширить его до более широкого набора независимых устройств, работающих вместе в составе ячеистой сети (mesh). Несмотря на то, что завершение работ ожидается не ранее 2017 года, для «Интернета вещей» и разработчиков устройств «Умного дома», ситуация ещё более туманная.

Здесь, однако, важен ответ на принципиальный вопрос: а есть ли техническая возможность для создания Bluetooth Mesh (ячеистая сеть Bluetooth)? Протокол Bluetooth, как и Wi-Fi, «ориентирован на соединения», в то время как стандарт IEEE 802.15 для ZigBee и Thread ориентирован на коммутацию пакетов, что очень подходит для протоколов ячеистых сетей. Попытка в 2001 году создать ячеистую самоорганизующуюся сеть на базе Wi-FI (стандарт IEEE 802.11s) печально провалилась, поскольку для протоколов, ориентированных на соединения, победить «задержки» оказалось неподъёмно трудной задачей. В данный момент складывается такое впечатление, что ячеистая сеть Bluetooth отличается от ячеистой сети Wi-Fi d в основном логотипом.

Для многих специалистов эта новая инициатива вокруг Bluetooth звучит как повторение более ранней попытки (где-то в 1997–2000 гг.) вытеснить Wi-FI, добавив сетевые возможности. «Bluetooth сотрёт Wi-Fi с лица земли» – вот слоган того времени. Как все мы знаем, тот проект по вытеснению Wi-Fi печально провалился. В настоящий момент Bluetooth Mesh больше похож на попытку инженеров «заняться чем-нибудь интересненьким», а не на попытку удовлетворить насущные потребности рынка. Возможно, эта новая инициатива вскоре иссякнет, как раньше создатели Bluetooth остановили попытки соперничать с Wi-Fi.

Прикладной уровень

Чтобы по-настоящему понять интригу баталий на прикладном уровне (рис. 4), хорошо бы посмотреть на картинку снова, но не по горизонтали, а по вертикали.

Рис 4. Прикладной уровень

Рис 4. Прикладной уровень

Прикладной уровень – это совокупность команд и ожидаемых результатов взаимодействия устройств («вещей») друг с другом. Это самый сложный уровень, поскольку он охватывает так много разных устройств в таком огромном количестве приложений в таком широком спектре интересов пользователей, что в данный момент трудно представить реально законченную картину предъявляемых к нему требований.

«Умные» системы для дома абсолютно  не похожи на «умные» системы для зданий и сооружений или для «умных» городов (управление уличным освещением или свободными местами на автопарковках), в то время как промышленные датчики – это свой отдельный класс устройств. Неудивительно, что прикладной уровень обширен и разветвлён. Есть и непрерывное накопление связанных с этим уровнем знаний и опыта, включая облачные интерфейсы, методы анализа, взаимодействие с социальными сетями, приложениями для смартфонов и т.п.

Первый и самый зрелый боец на этом пространстве – так называемая «Cluster Library» («библиотека кластеров»), которая является частью стандарта ZigBee (ZCL). В версии 3.0 стандарта ZigBee эта библиотека полностью интегрированная, включая так называемые профили приложений домашней автоматизации (Home Automation) и освещения (Lighting), плюс приложения для поддержки сверхнизкого энергопитания (например, безбатарейного) Green Power и ZRC для приложений со сверхнизким временем ожидания (low latency), которые необходимы для удалённого управления (Remote Control). Эта ZigBee Cluster Library доведена до совершенства, обладает хорошо продуманной защищённостью и легко устанавливается. В настоящее время в ней установлена самая большая база вендоров.

Второй соперник – программный пакет Apple Home Kit. Это действительно соперник, но не в такой степени стандарт, поскольку Apple Home Kit – собственность компании Apple. Тем не менее, поскольку компания Apple – сильный рыночный игрок и «кумир» для многих поклонников, Apple Home Kit расширяет своё присутствие на рынке благодаря прикладным надстройкам над Wi-Fi и Bluetooth для сетевой поддержки малопотребляющих носимых компьютеров и гаджетов. В настоящее время Home Kit со стандартом  IEEE 802.15 не интегрирован, но возможности для интеграции с ZigBee и ZigBee Cluster Library у него всё же есть.

Третий игрок в борьбе за прикладной уровень – консорциум Open Interconnect, приводимый в движение компаний Intel и поддерживаемый другими компаниями типа Cisco и Samsung. Именно эта группа недавно включилась в работу и – подобно Apple – отдала предпочтение Wi-Fi и Bluetooth, с прицелом на ZigBee в перспективе. Консорциум Open Interconnect анонсировал IoTivity, проект открытого ПО (Open Source) под эгидой консорциума Linux Foundation, который помогает идентифицировать подключённые к сети устройства на прикладном уровне.

Последний соперник на этом поле – альянс AllSeen, которой (что достаточно любопытно) тоже действует под эгидой Linux Foundation. Всё началось с работы над проектом AllJoyn в компании Qualcomm, однако вскоре стало понятно, что рынок очень большой, сильно диверсифицирован и очень зависит от разработки законченной экосистемы, и что вытянуть всё это в одиночку неподъёмно. В результате Qualcomm профинансировал всю работу до момента создания альянса AllSeen, который Qualcomm по-прежнему возглавляет, но вся дальнейшая деятельность ведётся независимо.

Обо всех перечисленных инициативах, призванных заполнить прикладной уровень, есть что сказать отдельно.

Во-первых, все перечисленные соперники в борьбе за прикладной уровень в весомой доле участвуют в одних и тех же профессиональных сообществах, причём до такой степени, что это не только влияет на рынок, но некоторых них даже путают. Например, многие из более четырёхсот членов консорциума ZigBee состоят также в OIC и AllSeen, играя роль «моста» между ними. Кроме того, результаты такой «работы по совместительству» – разные фреймворки (Frameworks) – мало чем отличаются по своему назначению и частично дополняют друг друга.

Главная задача, которую решает библиотека ZigBee Cluster Library, – описание функциональности простых устройств (лампы, термостаты и т. п.), и в качестве таковой хорошо укомплектована, поскольку наполнялась и совершенствовалась в течение многих лет.

Пакет Home Kit компании Apple фокусируется на представлении конкретных устройств конкретному пользователю (в доме, в комнате и т. д.) и, что не удивительно, строит эту структуру как расширение смартфона – использование смартфона в качестве центра экосистемы. В настоящее время всё это хорошо используется для «носимых устройств» («аксессуары» для смартфона), но как это могло бы работать в составе, например, «умного дома» (Smart Home) до сих пор никто не видел. Тем не менее, благодаря рыночному успеху смартфона Apple и тому факту, что Apple – продуктовая компания, а многие клиенты Apple соблюдают верность экосистеме продуктов Apple, Home Kit, возможно, не покинет нас ещё некоторое время.

Возможно, самая перекрёстная деятельность ведётся в рамках инициатив OIC/IoTivity и AllSeen/AllJoyn. Оба проекта фокусируются на создание специальных средств для обнаружения подключённых к сети устройств и выявления, как они взаимодействуют. Поэтому данные проекты – прямые конкуренты. В отличие от Apple Home Kit, оба запущены и поддерживаются полупроводниковыми компаниями. Учитывая, что и тот, и другой связаны с Linux Foundation, встаёт вопрос, насколько долго они будут развиваться отдельно.

Возможным развитием событий стало бы слияние этих проектов в один и объединение с библиотекой ZigBee Cluster Library, что позволило бы сохранить конкурентоспособность по отношению к «проприетарному» Home Kit компании Apple. Интеграция с высокоразвитой и надёжной библиотекой ZigBee Cluster Library имела бы смысл для любого из этих проектов, в то время как ZigBee Cluster Library может «выиграть» благодаря перспективе расширения фреймворка и возможности работы не только через ZigBee, но и через Wi-Fi и Bluetooth.

И последнее интересное наблюдение заключается в том, что в данном прикладном уровне полностью отсутствует Google/Nest и что (теоретически) он мог бы работать с ЛЮБЫМИ другими, уже специфицированными, прикладными уровнями. Однако результатом этого отсутствия становится то, что Thread не является полным стандартом и что в том виде, в каком он есть, он не позволяет взаимодействовать «разнокалиберным» устройствам. Если когда-нибудь стандарт Thread появится, потребуется его интеграция с каким-нибудь прикладным уровнем. И в данном случае имеет смысл интегрировать Thread с библиотекой ZigBee Cluster Library, так как только тогда он станет «полным» стандартом, то есть вообще стандартом…

Коммуникационные возможности «Интернета вещей» - «плохие новости» для разработчиков

  1. В настоящее время стандарт IEEE 802.15.4 (2, 4 ГГц) принят главным образом в качестве стандарта физического/канального уровня для малопотребляющих датчиковых и управляющих сетей, в сочетании с Wi-FI для сетей распространения контента, а в сочетании c Bluetooth - для «носимых» устройств.

  2. Неспокойно на сетевом/транспортном уровне, где Google/Nest пытается установить стандарт, бросающий открытый вызов официальному органу по стандартизации (альянсу ZigBee). После того как был заложен фундамент, деятели из Google/Nest реформировали себя в открытую организацию (альянс Thread). Однако, несмотря на крикливые обещания и политические махинации, сам стандарт Thread неполон и, чтобы приобрести значимость на данном рынке, нуждается в расширении.

  3. Большая неразбериха на прикладном уровне, где требуется дальнейшее развитие технологий. Компании Apple, Google/Nest, Intel, Qualcomm пытаются определить стандарты и/или «встать во главе движения». Частично они конкурируют с альянсом ZigBee, а в чём-то его дополняют.

  4. Единственной хорошо развитой и рыночно испытанной реализацией прикладного уровня является библиотека ZigBee Cluster Library, которую имеет смысл использовать для всех конкурирующих фреймворков прикладного уровня. Интеграция с этой библиотекой поможет каждому из них получить признание на рынке.

  5. Появление на рынке стандартов IEEE 802.11ah (маломощный WiFi для уровня MAC/PHY) и  Bluetooth Mesh запаздывает (ожидаются не ранее 2017 года), и с большой вероятностью они окажутся нерелевантными.

Итак, куда всё движется – к реальной войне или к мирному урегулированию? Будем надеяться, вместе со всеми компаниями, которым не терпится собрать урожай с «Интернета вещей», что случится последнее. Чем скорее, тем лучше.

Дополнение после апреля 2015 года

2 апреля 2015 года консорциумы ZigBee Alliance и Thread Group объявили о своём сотрудничестве в области разработки объединяемых в сеть бытовых приборов и устройств. Благодаря этому соглашению открывается перспектива работы протокола прикладного уровня ZigBee Cluster Library в сетях Thread.

При этом у альянса ZigBee появляется чёткая IP-стратегия, а у альянса Thread – перспектива создания стандарта на профили приложений.

Понятно, что для того чтобы воплотить это в жизнь, нужно многое сделать, включая соответствующие спецификации на тестирование и процедуры сертификации, однако это облегчит жизнь как поставщикам продуктов, так и поставщикам технологий и, в частности, поможет в решении следующих задач:

  1. Сосуществование сетевого уровня ZigBee PRO и сетевого уровня Thread либо их миграция во что-то третье.

  2. Интеграция устройств с малым потреблением (ZigBee Green Power) в среду Thread.

  3. Внедрение ультраскоростных возможностей протокольного стека RF4CE ZRC2.0 в сети ZigBee/Thread.

Все ключевые компоненты для построения дееспособной среды локального «Интернета вещей», в принципе, есть. Остаётся добиться того, чтобы эта среда была одновременно защищённой, энергоэффективной, простой в использовании (самоустанавливающейся) и недорогой (рис. 5).

Рис. 5. Обзор ZigBee и проприетарных фреймворков после апрельского анонса 2015 года об интеграции ZigBee Cluster Library в сети Thread

Рис. 5. Обзор ZigBee и проприетарных фреймворков после апрельского анонса 2015 года об интеграции ZigBee Cluster Library в сети Thread

__________________________________________________________________________

  Источник: Wireless Communication Standards for the Internet of Things, GreenPeak White Paper