Міжмашинні комунікації М2М

1. Загальні принципи М2М

Міжмашинна взаємодія (машинно-машинна взаємодія, англ. Machine-toMachine, M2M) - загальна назва технологій, які дозволяють машинам обмінюватися інформацією одна з одною, або ж передавати її в односторонньому порядку в автоматичному режимі між пристроями без участі людини. При всьому своєму практичному різноманітті, ідея машиномашинної взаємодії може бути зведена до простої схеми з трьох елементів. Уявіть собі цифровий пристрій (машину) А, зайнятий збором будь-якої інформації. Зібрані відомості передаються через канал зв'язку В (провідний або безпровідний) на пристрій (машину) С, що знаходиться від пристрою А на деякому віддаленні, і яка виробляє аналіз отриманих даних і зберігання результатів, а при необхідності і генерацію керуючих команд для пристрою А (рис. 7.1) . Працює така схема без участі людини (машина спілкується з машиною), звідки і назва: M2M. Хоча правильніше було б використовувати більш точне скорочення - М2 (CN2) M (Machine-to- (Communication-Networkto-) Machine), що однозначно вказує на обов’язкову наявність в міжмашинних комунікаціях деякої телекомунікаційної мережі.

- Ідея зв'язку «Машина - машина» М2М

Багато хто розглядає M2M як окремий випадок IoT, а деякі навпаки - Інтернет речей як варіант реалізації міжмашиних комунікацій. Ми будемо дотримуються першого підходу, так як Інтернет Речей - термін набагато ширший, що має на увазі не тільки взаємодію з пристроями, людьми і речами, але і забезпечення цієї взаємодії додатковими контекстами, такими як географічні, часові координати і т.п. Точну дату появи систем М2М назвати досить складно. Однією з перших розробок M2M, інтегрованих з бездротовими рішеннями, вважається OmniTRACS - рішення американської компанії Qualcomm, створене в 1989 році для відстеження комерційного транспорту. Виключення людини з електронних комунікацій машин, зведення її ролі до пасивної ролі спостерігача - принципово важливий момент. Людина ненадійна – вона повільна, схильна помилятися, швидко втомлюється, тому виключення людини з інформаційної системи дозволяє побудувати набагато більш ефективні електронні комплекси. Однак аж до кінця XX століття саме людина залишалася головним генератором і головним споживачем інформації на Землі. І тільки за останній час ситуація істотно змінилася - M2M-функціональність з'явилася в мільйонах пристроїв. Концепція M2M об'єднує телекомунікаційні та інформаційні технології для автоматизації різних технологічних і бізнес процесів. M2M технології застосовуються в самих різних сферах - в енергетиці, логістиці, вантажоперевезеннях, фінансах, торгівлі, безпеці, менеджменті, охороні здоров'я, освіті та ін. У транспортній сфері технології M2M використовуються, наприклад, для діагностики двигунів, моніторингу транспорту, супутникового стеження за автотранспортом, ГЛОНАСС/GPS контролю водіїв і вантажів та ін. Характерними прикладами використання М2М в побуті є вимір і передача показників лічильників витрати енергоресурсів (електроенергії, води, газу і т.п.), забезпечення безпеки будинку (охоронна і пожежна сигналізації, контроль протікання води). Для реалізації міжмашинної комунікацій використовуються всі можливі середовища передачі даних: електричні лінії, волоконно-оптичні лінії, радіолінії. Одним з широко використовуваних підкласів M2M є міжмашинна взаємодія з використанням мобільних рішень, для нього також може використовуватися абревіатура M2M (англ. Mobile-to-Mobile або Mobile-toMachine). Використання бездротових М2М- комунікацій дає очевидні переваги. По-перше, можливість моніторингу та управління віддаленими об'єктами, до яких невигідно прокладати дротове з’єднання. По-друге, можливість оперативно і досить просто підключати нові пристрої без додаткових витрат. Ну і нарешті, це управління об'єктами там, де використання проводів неможливо в принципі (наприклад, для моніторингу і управління рухомими об'єктами).

2. Стандартизація М2М

Міжмашинні комунікації є найважливішою складовою Інтернету речей. В даний час можна виділити понад 140 організацій, що прямо або побічно беруть участь в процесах стандартизації M2M. У 2007 р технічний комітет ETSI підготував ряд документів, що визначають випадки застосування M2M для електронної охорони здоров'я eHealth, інтелектуальних лічильників, для споживачів, а також терміни та визначення, вимоги до послуг M2M і функціональну архітектуру мережі M2M. За версією ETSI, machine-to-machine (або mobile-to-machine) - це симбіоз телекомунікаційних та інформаційних технологій для автоматизації бізнес-процесів і створення послуг з доданою вартістю VAS (Value Added Service), спрямованих на управління інформаційними та технологічними процесами в різних областях життєдіяльності суспільства.

Функціональна архітектура М2М представлена в стандарті ETSI TS 102 690. Вона розділена на два домени: домен пристроїв і шлюзів М2М і мережевий домен

Домен пристроїв і шлюзів М2М включає в себе наступні елементи:

1. Пристрій М2М - підтримує М2М додатки і використовує сервісні можливості М2М. Пристрої М2М підключаються до мережного домену наступними способами: а) пряме з'єднання - пристрій М2М підключається до мережного домену через мережу доступу, при цьому пристрою М2М доступні такі процедури, як реєстрація, аутентифікація, авторизація, управління і ініціалізація в межах мережевого домену. М2М пристрій може надавати сервіси інших пристроїв, прихованим від мережевого домену; б) шлюз в якості мережевого проксі-сервера - пристрій М2М підключається до мережного домену через шлюз М2М. До шлюзу пристрої М2М підключаються через доступну мережу пристроїв М2М. В цьому випадку шлюз відіграє роль проксі-сервера. Через проксі-сервер доступні такі процедури, як аутентифікація, авторизація, управління і ініціалізація. У загальному випадку пристрій М2М може підключатися до мережного домену через різні шлюзи М2М. 

2. Мережа доступу М2М - забезпечує зв'язок між пристроями М2М і шлюзами М2М. Прикладами мереж М2М можуть служити персональні мережі (PAN), такі як IEEE 802.15.1, ZigBee, Bluetooth, IETF ROLL, ISA100.11a або локальні мережі, такі як PLC, M-BUS, Wireless M-BUS і KNX. 3. Шлюз М2М - підтримує програми М2М і використовує сервісні можливості М2М. Шлюз виступає в якості проксі-сервера між пристроєм М2М і мережевим доменом. Шлюз М2М може надавати сервіси інших пристроїв, прихованим від мережевого домену. 

Мережевий домен складається з наступних елементів: 

1. Мережа доступу М2М - дозволяє пристроям М2М і шлюзів М2М взаємодіяти з транспортною мережею. Мережа доступу М2М використовує xDSL, HFC, супутникові мережі, GERAN, UTRAN, eUTRAN, W-LAN, WiMAX і інші технології. 

2. Транспортна мережа М2М забезпечує: IP-з'єднання і можливо інші способи комунікацій; функції управління послугами та мережею; взаємодію з іншими мережами; роумінг послуг; надання різних наборів послуг; Транспортна мережа М2М може бути реалізована, наприклад, на базі таких стандартів, як 3GPP, ETSI TISPAN, 3GPP2 і ін. 

3. Сервісні можливості М2М забезпечують: надання функцій М2М, які можуть використовуватися різними додатками; розширення функцій через набір відкритих інтерфейсів; використання функціональності ядра мережі; спрощення та оптимізація розробки та впровадження програм. 

4. Додатки М2М - реалізують логіку послуг і використовують сервісні можливості М2М послуг через відкриті інтерфейси.

5. Функції управління мережею - включають функції, необхідні для управління мережами доступу та транспортною мережею, включаючи ініціалізацію, адміністрування, управління збоями і ін. 

6. Функції управління М2М - складаються з функцій, необхідних для управління сервісними можливостями М2М в мережевому домені. Управління пристроями М2М і шлюзами включає в себе специфічні сервісні можливості М2М: 

набір функцій управління М2М включає функцію завантаження послуг М2М (Service Bootstrap, MSBF), реалізованої на відповідному сервері. Роль MSBF полягає в спрощенні початкового завантаження постійних облікових даних з безпеки на М2М пристрій (або М2М шлюз) і використанні сервісних можливостей М2М в мережевому домені; 

постійні облікові дані безпеки, завантажені за допомогою MSBF, зберігаються в безпечному місці, яке називається сервером аутентифікації М2М (M2M Authentication Server, MAS). У ролі такого сервера може виступати ААА сервер. 

Функція MSBF може бути реалізована на MAS сервері або на іншому пристрої, взаємодіючому при цьому з MAS за допомогою відповідного протоколу (наприклад, Diameter в разі використання ААА сервера).

1. Точка (інтерфейс) mIa - між мережевим додатком NA (Network Application) і сервісними можливостями мережевого домену та додатків М2М. Вона забезпечує примітиви реєстрації і авторизації для NA, управління сервісними сесіями (звітність про події або потокових сесіях) і примітиви читання/запису/виконання / підписки / повідомлення для об'єктів або груп об'єктів, розташованих безпосередньо в пристроях M2M або шлюзах, а також для груп об'єктів, керованих мережевих доменом. 

2. Точка (інтерфейс) dIa між: а) додатком пристрої DA (Device Application) і сервісними можливостями М2М в тому самому пристрої М2М або в шлюзі М2М; б) додатком шлюзу GA (Gateway Application) і сервісними можливостями М2М в тому ж шлюзі М2М. Інтерфейс dIa виконує функції реєстрації та авторизації для додатків DA і GA в пристрої/шлюзі, управління сервісними сесіями (звіт про подію або потокові сесії) і примітиви читання / запису / виконання / підписки / повідомлення для об'єктів або груп об'єктів розташованих безпосередньо в пристроях M2M або шлюзах, а також для груп об'єктів, керованих за допомогою пристрою / шлюзу. 

3. Інтерфейс mId між пристроєм М2М або шлюзом і сервісними можливостями М2М в мережевому домені і додатків. mId виконує функції реєстрації та авторизації для додатків DA і GA в ядрі М2М, управління сервісними сесіями (звіт про подію або потокові сесії) і примітиви читання / запису / виконання / підписки / повідомлення для об'єктів або груп об'єктів розташованих безпосередньо в пристроях M2M або шлюзах, а також для груп об'єктів, керованих за допомогою пристроїв, шлюзів або можливостей ядра мережі.

3. Промислові мережі для реалізації М2М

Промислової мережею називають комплекс обладнання і програмного забезпечення, які забезпечують обмін інформацією (комунікацію) між декількома пристроями (різні датчики, виконавчі механізми, промислові контролери) в рамках промислової автоматизованої системи. Промислова мережа є основою для побудови розподілених систем збору даних і управління на промислових підприємствах. За кордоном для позначення промислових мереж часто використовується термін Fieldbus, дослівно - «польова шина». термін вживається переважно в автоматизованій системі управління технологічними процесами (АСУ ТП). 

Промислові мережі використовуються для: 

передачі даних між датчиками, контролерами і виконавчими механізмами; діагностики і віддаленої конфігурації датчиків і виконавчих механізмів; 

калібрування датчиків; 

живлення датчиків і виконавчих механізмів; 

зв'язку між датчиками, виконавчими механізмами, ПЛК та АСУ ТП верхнього рівня. 

Промислові мережі можуть взаємодіяти зі звичайними комп'ютерними мережами, зокрема використовувати глобальну мережу Інтернет. 

Промислові мережі відрізняються від традиційних локальних обчислювальних мереж (ЛОМ), що розміщуються в організаціях і установах, такими властивостями: спеціальним конструктивним виконанням, забезпечує захист від пилу, вологи, вібрації, ударів; 

широким температурним діапазоном (зазвичай -40 ÷ + 70 оС); 

підвищену міцність кабелю, ізоляції, роз'ємів, елементів кріплення; 

підвищеною стійкістю до дії електромагнітних завад; можливістю резервування для підвищення надійності; 

підвищеною надійністю передачі даних; 

можливістю самовідновлення після збою; 

детермінованістю (визначеністю) часу доставки повідомлень; 

можливістю роботи в реальному часі (з малої, постійної і відомою величиною затримки); 

роботою з довгими лініями зв'язку (від сотень метрів до кількох кілометрів).

Промислові мережі зазвичай не виходять за межі одного підприємства. Однак з появою Ethernet і Інтернет для промислових мереж стали застосовувати ту ж класифікацію, що і для ЛВС: LAN, MAN, WAN.

 В даний час налічується більше 50 типів промислових мереж. Однак широко поширеними є тільки частина з них. В Україні більшість АСУ ТП використовують мережі Modbus і Profibus. В останні роки зріс інтерес до мереж на основі CANopen і DeviceNet. Поширеність в Україні тієї чи іншої промислової мережі пов'язана, в першу чергу, з перевагами і активністю фірм, що продають імпортне обладнання. Оскільки в промислової автоматизації мережеві інтерфейси можуть бути невід'ємною частиною пристроїв, що з'єднуються, а мережеве програмне забезпечення прикладного рівня моделі OSI виповнюється на основному процесорі промислового контролера, то відокремити мережеву частину від пристроїв, що об'єднуються в мережу, іноді фізично неможливо.

З'єднання промислової мережі з її компонентами (пристроями, вузлами мережі) виконується за допомогою інтерфейсів. Найбільш важливими параметрами інтерфейсу є пропускна здатність і максимальна довжина кабелю, що підключається. Промислові інтерфейси зазвичай забезпечують гальванічну розв'язку між сполучаються пристроями. Найбільш поширені в промисловій автоматизації послідовні інтерфейси RS-485, RS-232, RS-422, Ethernet, CAN, HART, ASінтерфейс. Для обміну інформацією взаємодіючі пристрої повинні мати однаковий протокол обміну. Для більшості промислових мереж стек протоколів реалізований за допомогою спеціалізованих мережевих мікросхем або вбудований в універсальний мікропроцесор. Взаємодія пристроїв в промислових мережах виконується відповідно до моделей клієнт-сервер або видавець-передплатник (виробник-споживач).

В моделі клієнт-сервер взаємодіють два об'єкти . Сервером є об'єкт, який надає сервіс, тобто який виконує деякі дії за запитом клієнта. Мережа може містити кілька серверів і кілька клієнтів. Кожен клієнт може посилати запити більш ніж одного сервера кожен сервер може відповідати на запити декількох клієнтів. Ця модель зручна для передачі даних, які з'являються періодично або в заздалегідь певний час, як, наприклад, значення температури в періодичному технологічному процесі. Однак ця модель незручна для передачі подій, що випадково виникають, наприклад, події, що складається в випадкового спрацьовування датчика рівня, оскільки для отримання цієї події клієнт повинен періодично, з високою частотою, запитувати стан датчика і аналізувати його, перевантажуючи мережу марним трафіком.

У моделі взаємодії видавець-передплатник є один видавець і безліч передплатників. Передплатники при реєстрації повідомляють видавцеві список міток (Тегів), значення яких вони хочуть отримувати за визначеним розкладом або по мірі появи нових даних. Кожен клієнт може підписатися на свій набір тегів. Відповідно до встановленого розкладу видавець розсилає передплатникам повідомлення з запитуваною інформацією. У будь-якої моделі взаємодії можна виділити пристрій, який управляє іншим (підлеглим) пристроєм. 

Пристрій, що проявляє ініціативу в обміні, називають провідним або головним (master). Пристрій, який відповідає на запити майстра, називають веденим або підлеглим (slave). Ведене пристрій ніколи не починає комунікацію першим. Воно чекає запиту від ведучого і тільки відповідає на запити. Наприклад, в моделі клієнт-сервер клієнт є провідним, сервер - підлеглим. У моделі видавець-передплатник на етапі підписки провідним є клієнт, а на етапі розсилки публікацій - сервер. 

У мережі може бути одне або декілька провідних пристроїв. Такі мережі називається, відповідно, одномастернимі або багатомастернимі. У багатомастерної мережі виникає проблема вирішення конфліктів між пристроями, що намагаються одночасно отримати доступ до середовища передачі інформації. Конфлікти можуть бути дозволені методом передачі маркера, як, наприклад, в мережі Profibus, методом побітного порівняння ідентифікатора (використовується в CAN), методом прослуховування мережі (використовується в Ethernet) і методом запобігання колізій (використовується в бездротових мережах). У всіх мережах застосовується широкомовлення без певної адреси, тобто всім учасникам мережі. Такий режим використовується зазвичай для синхронізації процесів в мережі, наприклад, для одночасного запуску процесу введення даних усіма пристроями введення або для синхронізації годин. Деякі мережі використовують Багатоабонентський режим, коли одне й те саме повідомлення надсилається кільком пристроям. Мережі можуть мати топологію зірки, кільця, шини або змішану.