ПНСТ 651-2022 Информационные технологии. Сети сенсорные. Типовая архитектура сенсорных сетей. Часть 7. Функциональная совместимость

        ПНСТ 651-2022

(ИСО/МЭК 29182-7:2015)

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Информационные технологии

СЕТИ СЕНСОРНЫЕ

Типовая архитектура сенсорных сетей

Часть 7

Функциональная совместимость

Information technology. Sensor networks. Sensor network reference architecture. Part 7. Functional compatibility

ОКС 35.110

Срок действия с 2023-01-01

до 2026-01-01

Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН Автономной некоммерческой образовательной организацией высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" и Федеральным государственным бюджетным учреждением "Российский институт стандартизации" (ФГБУ "РСТ") на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 194 "Кибер-физические системы"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 10 октября 2022 г. N 75-пнст

4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту ИСО/МЭК 29182-7:2015* "Информационные технологии. Сенсорные сети. Типовая архитектура сенсорных сетей (SNRA). Часть 7. Руководство по интероперабельности" [ISO/IEC 29182-7:2015 "Information technology - Sensor networks: Sensor Network Reference Architecture (SNRA) - Part 7: Interoperability guidelines", MOD] путем изменения отдельных фраз (слов, значений показателей, ссылок), которые выделены в тексте курсивом**. Внесение указанных технических отклонений направлено на учет потребностей национальной экономики Российской Федерации.

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5).

Сведения о соответствии ссылочных национальных стандартов международным стандартам, использованным в качестве ссылочных в примененном международном стандарте, приведены в дополнительном приложении ДА.

Сопоставление структуры настоящего стандарта со структурой указанного международного стандарта приведено в дополнительном приложении ДБ

Правила применения настоящего стандарта и проведения его мониторинга установлены в ГОСТ Р 1.16-2011** (разделы 5 и 6).

Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии собирает сведения о практическом применении настоящего стандарта. Данные сведения, а также замечания и предложения по содержанию стандарта можно направить не позднее чем за 4 мес до истечения срока его действия разработчику настоящего стандарта по адресу: 121205 Москва, Инновационный центр Сколково, ул.Нобеля, д.1, e-mail: [email protected] и/или в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии: 123112 Москва, Пресненская набережная, д.10, стр.2.

В случае отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты" и также будет размещена на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)

Введение

Сенсорные сети имеют широкий диапазон областей применения. Однако на практике созданы и развернуты сенсорные сети для относительно небольшого числа областей применений. Частично это вызвано нерентабельностью для определенных областей применения, частично - техническими трудностями создания нетривиальной сенсорной сети необходимой сложности. В настоящее время сложность процесса проектирования не позволяет использовать архитектуру одной сенсорной сети для другой сенсорной сети. Как правило, при проектировании сенсорной сети разработку необходимо начинать с нуля. Однако сенсорные сети в различных областях применения имеют общие особенности, которые проявляются при выборе архитектуры сети и сущностей/функциональных блоков для использования в архитектуре.

Целями серии стандартов "Информационные технологии. Сети сенсорные. Типовая архитектура сенсорных сетей" являются:

- предоставление рекомендаций для проектирования и развертывания сенсорных сетей;

- оптимизация функциональной совместимости сенсорных сетей;

- создание автоматически конфигурируемых (plug-and-play) компонентов сенсорных сетей для упрощения добавления/удаления сенсорных узлов в существующую сенсорную сеть или из нее.

Серия стандартов "Информационные технологии. Сети сенсорные. Типовая архитектура сенсорных сетей" предназначена для использования проектировщиками сенсорных сетей, разработчиками программного обеспечения, системными интеграторами и поставщиками услуг для удовлетворения требований клиентов, в том числе любых надлежащих требований к функциональной совместимости.

Серия стандартов "Информационные технологии. Сети сенсорные. Типовая архитектура сенсорных сетей" состоит из семи частей:

- первая часть содержит общий обзор и требования к типовой архитектуре сенсорных сетей;

- вторая часть устанавливает термины и определения, используемые в типовой архитектуре;

- третья часть определяет типовую архитектуру с различных точек зрения, таких как бизнес, операционная, системная, техническая, функциональная и логическая;

- четвертая часть определяет модели двух классов сущностей типовой архитектуры (физических и функциональных сущностей);

- пятая часть определяет интерфейсы различных сущностей типовой архитектуры;

- шестая часть предоставляет подробную информацию по разработке международных стандартизированных профилей;

- седьмая часть определяет принципы проектирования типовой архитектуры с учетом требований к интероперабельности.

Требования к соответствию стандартам серии "Информационные технологии. Сети сенсорные. Типовая архитектура сенсорных сетей" отсутствуют. Сенсорные узлы и соответствующая сенсорная сеть должны соответствовать требованиям приложения или руководства разработки.

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает общие требования по обеспечению функциональной совместимости между службами сенсорной сети и соответствующими сущностями в гетерогенной сенсорной сети.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ПНСТ 422-2020** (ИСО/МЭК 30128:2014) Информационные технологии. Сети сенсорные. Сетевой интерфейс прикладного программирования датчика

ПНСТ 519-2021 (ИСО/МЭК 29182-2:2013) Информационные технологии. Сети сенсорные. Часть 2. Термины и определения

ПНСТ 649-2022 (ИСО/МЭК 29182-5:2013) Информационные технологии. Сети сенсорные. Часть 5. Определения интерфейсов

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины и определения по ПНСТ 519-2021.

4 Сокращения

В настоящем стандарте применены следующие сокращения:

ИКТ - информационно-коммуникационные технологии;

ADSL - асимметричная цифровая абонентская линия (asymmetric digital subscriber line);

API - программный интерфейс приложения (application programming interface);

CDMA - множественный доступ с кодовым разделением (code division multiple access);

GSM - глобальный стандарт цифровой сотовой связи (global system of mobile communications);

SNRA - типовая архитектура для сенсорных сетей (sensor network reference architecture);

TCP/IP - протокол управления передачей/протокола интернета (transmission control protocol/internet protocol);

WCDMA - широкополосный множественный доступ с кодовым разделением (wideband code division multiple access).

5 Интероперабельность между гетерогенными сенсорными сетями

5.1 Общие положения

Сенсорная сеть - это система пространственно распределенных сенсорных узлов, взаимодействующих друг с другом и, в зависимости от приложений, с инфраструктурой ИКТ для сбора, обработки и предоставления информации о физическом мире и, при необходимости, реагирования на такую информацию.

Существует множество приложений сенсорных сетей в различных областях, таких как мониторинг окружающей среды, управление логистикой, промышленная автоматизация, интеллектуальная система автомагистралей и охранное наблюдение. Существуют значительные различия в требованиях к службам, типах служб, функциях обработки, интерфейсах, эксплуатационных характеристиках, форматах данных и т.д. Указанные различия влияют на интероперабельность сенсорных сетей.

Определены два типа сенсорной сети: гомогенная сенсорная сеть и гетерогенная сенсорная сеть.

В основу различия гомогенных и гетерогенных сенсорных сетей может быть взят тип датчика или протокол связи. С точки зрения типа датчика гомогенные сенсорные сети определяются как имеющие один и тот же тип датчика или функционально идентичные сенсорные узлы, а гетерогенные сенсорные сети определяются как имеющие разные типы или функционально разные сенсорные узлы. С точки зрения протокола связи гомогенные сенсорные сети определяются как имеющие одинаковые или совместимые протоколы, а гетерогенные сенсорные сети определяются как имеющие разные или несовместимые типы протоколов. В настоящем стандарте в основе различия типов сенсорных сетей взят протокол связи.

Существуют различные протоколы связи для сенсорных сетей, такие как серия IEEE 802.15.4x, IETF 6LoWPAN, ZigBee, Bluetooth, UWB, NB-Fi, LoraWan Ru и т.п.

С точки зрения протокола связи гомогенные сенсорные сети по определению являются интероперабельными, поскольку между сущностями доменов служб используется один и тот же протокол связи. Гетерогенные сенсорные сети не могут взаимодействовать друг с другом ввиду различий в используемых ими протоколах связи.

Гетерогенность является распространенным свойством сенсорных сетей. Приложение сенсорной сети может использовать разные подсети гетерогенной сенсорной сети. Следовательно, интероперабельность между гетерогенными сенсорными сетями является сложной задачей в SNRA.

5.2 Интероперабельность в инфраструктуре служб сенсорной сети

С сервисно-ориентированной точки зрения поток информации от сенсорных узлов к поставщикам услуг и общая архитектура сенсорной сети могут быть представлены в виде иерархической архитектуры (рисунок 1).

Рисунок 1 - Интерфейсы и сущности инфраструктуры служб сенсорной сети

Для каждой сущности на рисунке 1 определяются различные протоколы связи или интерфейсы. Интероперабельность подразумевает возможность межсетевого взаимодействия между сущностями в инфраструктуре служб сенсорной сети. На рисунке 2 представлено графическое представление интероперабельной инфраструктуры служб сенсорной сети со стрелками, представляющими интерфейсы, которые обеспечивают бесшовную интероперабельность между сущностями.

Рисунок 2 - Графическое представление интероперабельной инфраструктуры служб сенсорной сети

Интероперабельность также должна существовать вертикально для беспрепятственного обмена информацией в иерархической структуре сенсорных сетей, поддерживающих сложную систему систем. Должны быть рассмотрены различные случаи интероперабельности сенсорных сетей. На рисунке 3 продемонстрирована сложность интероперабельности системы, состоящей из систем.

Рисунок 3 - Интероперабельность инфраструктуры служб сенсорной сети

Разные сущности инфраструктуры служб сенсорной сети, показанной на рисунке 3, могут использовать разные технологии связи, протоколы и форматы данных. Следовательно, поток данных между различными сущностями должен быть интероперабельным.

Преимущества интероперабельности между гетерогенными сенсорными сетями включают:

- повышение масштабируемости служб сенсорной сети;

- расширение функциональности сенсорной сети;

- возможность повторного использования;

- сокращение стоимости и времени разработки/внедрения;

- взаимозаменяемость компонентов для простоты обслуживания и модернизации.

6 Рекомендации по интероперабельности между гетерогенными сенсорными сетями

6.1 Общие положения

В настоящем разделе представлены способы обеспечения интероперабельности в инфраструктуре служб сенсорной сети и рекомендации по интероперабельности.

Интероперабельность может быть обеспечена с помощью стандартного процесса разработки с использованием открытых архитектур и стандартизации интерфейсов между подразделениями (как подсистемами, так и сенсорными сетями), многоуровневыми структурами в сенсорных сетях и их приложениями. Чтобы архитектура удовлетворяла требованиям интероперабельности, для описания систем сенсорных сетей следует использовать существующие стандарты интероперабельности. По мере внедрения новых технологий и определения новых служб и приложений сенсорной сети необходимо введение новых стандартов.

Требованием к интероперабельности является способность считывать, обрабатывать информацию и обмениваться данными между сущностями инфраструктуры служб сенсорной сети (рисунок 3).

Следовательно, интероперабельность между гетерогенными сенсорными сетями может быть достигнута путем стандартизации интерфейсов, показанных на рисунке 1. Стандартизованные интерфейсы обеспечивают интероперабельность служб. Определение стандартизованных интерфейсов для сенсорной сети является одним из наиболее эффективных способов обеспечения интероперабельности сенсорных сетей. Стандартизованные интерфейсы должны включать:

- стандартизованный формат данных, тип, имя, определение и правила обработки данных;

- стандартизованные интерфейсы связи между сущностями инфраструктуры служб сенсорной сети.

6.2 Интероперабельность между пользователем и поставщиком услуг (интерфейс 1)

Пользователь отправляет запросы поставщику услуг через интерфейс 1 (рисунок 1) для получения необходимой информации, такой как идентификация сенсорных узлов, информация о местоположении, план мониторинга/наблюдения или протоколы управления для устройств или исполнительных устройств, подключенных к сенсорных узлам. Поставщик услуг отправляет обработанные данные или запрошенную информацию пользователю через интерфейс 1.

Различные пользователи могут взаимодействовать с поставщиками услуг через интерфейс 1. Интерфейс определяет такие функции, как аутентификация, передача данных и управление.

Приложения сенсорной сети включают множество классов в соответствии с моделью доставки данных, например приложения, управляемые событиями, и приложения, управляемые запросами. На уровне приложений и на уровне служб должны быть определены протоколы обмена данными и форматы кадров.

Для обеспечения интероперабельности между пользователем и поставщиком услуг должны быть разработаны стандартизованные механизмы обмена данными и форматы данных приложений между пользователем и поставщиком услуг.

Интерфейс 1 между пользователем и поставщиком услуг может использовать стандартный протокол связи, например TCP/IP, GSM, ADSL и WCDMA. TCP/IP является наиболее широко используемым протоколом.

Основной задачей является обеспечение "прозрачности" протоколов сенсорной сети для приложений. Предоставление стандартных интерфейсов поставщикам услуг способом, независимым от сети, обеспечит переносимость и интероперабельность служб сенсорной сети. При использовании API приложение может предоставлять службы через разные сенсорные сети с использованием разных технологий. Интерфейсы связи должны поддерживать функциональность API, чтобы различные сенсорные сети, поддерживающие API, были интероперабельными. Открытый API предоставляется для обеспечения интероперабельности приложений между гетерогенными сенсорными сетями, использующими различные протоколы нижнего уровня. API поддерживает функциональность интерфейса между шлюзом/маршрутизатором и поставщиком услуг.

Следовательно, набор стандартных API-интерфейсов предоставляет набор основных служб и возможностей, которые могут быть использованы приложениями сенсорной сети для достижения интероперабельности.

6.3 Интероперабельность между шлюзом и поставщиком услуг (интерфейс 3)

Шлюз сенсорной сети - это промежуточная сущность, которая соединяет поставщиков услуг и сенсорные сети. Через интерфейс 3 происходит обмен данными, собранными из сенсорных сетей, и сообщениями команд управления, такими как регистрация и отмена регистрации локальной сенсорной сети, сбор данных и управление устройством.

Шлюз должен иметь возможность обмена информацией с любым поставщиком услуг вне зависимости от используемого протокола связи. Являются обязательными стандартизованное описание интерфейса и формат данных между шлюзом и поставщиком услуг, показанный как интерфейс 3 на рисунке 1 в ПНСТ 649-2022. Таким образом, одним из способов обеспечения интероперабельности между шлюзом и поставщиком услуг является использование общего интерфейса приложения сенсорной сети (рисунок 4).

Рисунок 4 - Использование стандартного интерфейса сенсорной сети для обеспечения интероперабельности

Общий интерфейс приложения сенсорной сети включает обязательный интерфейс и дополнительный интерфейс. Обязательный интерфейс - это интерфейс, который должен быть реализован сенсорными сетями и поставщиками услуг. Обязательный интерфейс включает в себя интерфейс регистрации, интерфейс отмены регистрации и интерфейс отчета сенсорных данных. Дополнительный интерфейс может быть реализован сенсорными сетями и поставщиками услуг. В зависимости от ограничений сенсорных сетей и требований поставщиков услуг дополнительный интерфейс может быть реализован выборочно. Дополнительный интерфейс включает в себя интерфейс оперирования сенсорными данными в режиме pull, интерфейс оперирования исполнительными устройствами, интерфейс мониторинга и контроля сенсорной сети, интерфейс масштабируемости и интерфейс обработки сообщений (ПНСТ 422-2020).

В интерфейсе 3 (см. рисунок 1) могут быть использованы стандартные протоколы связи, такие как TCP/IP, GSM, ADSL и WCDMA (см. 6.2). Протоколы связи, используемые в интерфейсах 1 и 3, должны быть совместимы для предоставления унифицированного обслуживания пользователю.

Один из подходов обеспечения интероперабельности через интерфейс 3 состоит в том, что поставщик услуг должен иметь несколько интерфейсов связи для связи со шлюзами, использующими разные протоколы связи. Другим подходом является использование промежуточной сущности, реализованной как промежуточное программное обеспечение, которое может управлять всеми распространенными протоколами связи (рисунок 5).

Рисунок 5 - Пример использования промежуточного программного обеспечения для обеспечения интероперабельности

Промежуточное программное обеспечение получает запросы от приложений сенсорной сети и доставляет эти запросы в соответствующие сенсорные сети. Аналогичным образом промежуточное программное обеспечение сенсорной сети получает сенсорные или обработанные данные от сенсорных сетей и доставляет их в соответствующие приложения сенсорной сети. Промежуточное программное обеспечение сенсорной сети может обеспечивать функции обработки информации, такие как обработка запросов, контекстно-зависимая обработка, обработка событий, мониторинг сенсорной сети и т.д.

Для обеспечения интероперабельности между гетерогенными сенсорными сетями посредством использования промежуточного программного обеспечения необходимы следующие стандартные интерфейсы связи:

- промежуточное программное обеспечение для взаимодействия с гетерогенными сенсорными сетями;

- интерфейс, позволяющий приложениям сенсорной сети взаимодействовать с промежуточным программным обеспечением.

Общий стандартный интерфейс сенсорной сети может быть частью промежуточного программного обеспечения для обеспечения интероперабельности между гетерогенными сенсорными сетями.

6.4 Интероперабельность между сенсорной сетью и шлюзом (интерфейс 4)

Интерфейс между сенсорными сетями и шлюзами упрощает передачу данных от сенсорных узлов к шлюзу и конкретных команд от поставщиков услуг или пользователей к исполнительным устройствам. Шлюз должен иметь возможность извлекать определенную информацию, например адрес назначения, из данных, пересылаемых любой гетерогенной сенсорной сетью. Шлюз должен поддерживать связь с любой гетерогенной сенсорной сетью для обеспечения интероперабельности.

Использование нескольких интерфейсов в шлюзе является одним из способов обеспечения интероперабельности между сенсорной сетью и шлюзом (рисунок 6).

Рисунок 6 - Пример использования нескольких интерфейсов в шлюзе для обеспечения интероперабельности

6.5 Интероперабельность между сенсорными узлами (интерфейс 5)

Сенсорные узлы обмениваются информацией о топологии сети, управляющей информацией и сенсорными данными. Для обеспечения интероперабельности между сенсорными узлами должны быть стандартизованы протоколы и форматы данных.

Обмен данными между сенсорными узлами для массового сбора и обработки данных должен проводиться с использованием единого протокола. Это обеспечивает интероперабельность между сенсорными узлами.

Приложение ДА

(справочное)

Сведения о соответствии ссылочных национальных стандартов международным стандартам, использованным в качестве ссылочных в примененном международном стандарте

Таблица ДА.1

Приложение ДБ

(справочное)

Сопоставление структуры настоящего стандарта со структурой примененного в нем международного стандарта

Таблица ДБ.1