Научтруд
Войти

ПРИКЛАДНОЙ ПРОТОКОЛ ОБМЕНА ДАННЫМИ В ИНТЕРНЕТЕ ВЕЩЕЙ

Научный труд разместил:
Yuvenaliy
15 августа 2020
Автор: Мнушка Оксана Васильевна

УДК 004 DOI: 10.30977/BUL.2219-5548.2019.87.0.54

ПРИКЛАДНИЙ ПРОТОКОЛ ОБМ1НУ ДАНИМИ В 1НТЕРНЕТ1 РЕЧЕЙ

Мнушка О.В.1, Швнева О.А.1, Савченко В.М.1 1Харкiвський нацюнальний автомобшьно-дорожнш уиiверситет

Анотаця. Проанал1зовано застосування протокол1в обм1ну даними в Штернет1 речей. Запро-поновано прикладний протокол обмгну даним для пристрогв з обмеженими обчислювальними можливостями для застосування в систем1 збору та оброблення даних з в1ддалених об &ект1в керування, проанал1зовано структуру протоколу та перспективи його використання. Ключов1 слова: Internet of Things, мережний протокол, оброблення даних.

Вступ

Значне поширення пристро!в на 0CH0Bi технологш штернету речей (Internet of Thing) е трендом сучасно! економши та в багатьох випадках визначальним чинником устшнос-т нового продукту на ринку. Формуеться 1ндус^я 4.0, що використовуе IoT на вшх етапах виробництва - вщ есюзних моделей до готового продукту, вщ виробництва до пожжиттево! тдтримки покупця.

Для обмiну даними використовують про-токоли, що у сво!й основi, як правило, мають багато службово! шформацп - теги, дужки, назви атрибупв тощо, якi не несуть корисно-го навантаження, але потребують додаткових обчислювальних ресурсiв - циктв процесора (контролера) та оперативно! пам&ят для збе-рiгання додаткових даних. Альтернативою можуть бути двiйковi протоколи обмшу даними, коли шформащя кодуеться залежно вiд прикладних завдань. В останньому випадку можливе використання наявних протоколiв, у яких корисне навантаження - payload - за-кодованi данi у двшковому виглядi.

Однiею з основних проблем ще! галузi е велика кшьюсть рiзнорiдних протоколiв об-мiну даними, вщсутшсть стандартизованих протоколiв обмiну, зокрема для пристро!в з обмеженими обчислювальними можливос-тями. У випадку останшх потрiбно також забезпечити автономнють роботи вiд акуму-ляторiв у рiзних режимах - постшно! переда-чi даних чи в режимi роботи за запитом або за графком.

Розроблення й аналiз протоколiв обмiну даними дозволяють визначити !х «слабю мь сця» з точки зору навантаження на систему, окреслити проблеми щодо безпеки обмшу даним, отримати спещальш можливосп для реалiзаци конкретних алгоритмiв чи методiв оброблення даних у всiх промiжних та кшце-вих точках системи обмшу даними, тому таке завдання е актуальним i вимагае постшно! уваги вшх учасникiв процесу розроблення та впровадження технологш на основi штернету речей.

Аналiз публiкацiй

Побудова ршень на основi промислового штернету речей грунтуеться на використаннi апаратного та програмного складниюв обчи-слювальних модулiв, а також на основi використання протоколiв обмiну даними. Для прискорення процесу розроблення пот-рiбно використовувати один iз загальних ша-блонiв системи обмiну даними, що визначае складники системи, роль та функцп рiзних модулiв (пристро!в) у процесi обмiну даними. До основних комушкацшних шаблонiв можуть належати таю:

- запит-вщповщь;

- тдписка на поди;

- асинхронна передача даних;

- мультикастинг - одночасна передача даних багатьом клiентам;

- публiкацiя-пiдписка;

- брокери повщомлень та iн.

Основнi протоколи даних належать до од-ше! з перелiчених груп [1, 2].

Наразi пристро! iнтернету речей е базови-ми елементами для побудови систем вщда-леного керування промисловими та шшими об&ектами - SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Так, у [3] наведено приклад тако! системи для промислових енергетичних застосувань. Показано, що за допомогою стандартних IoT-пристрош можна побудува-ти систему вщдаленого мониторингу. Особлива увага в таких засновуваннях повинна придшятися безпецi даних та безпецi каналiв обмiну даними, що мае забезпечити шифру-вання каналiв даних. Основними компонентами запропоновано! системи е генеращя си-гналiв аварiй та попереджень про вихщ

параметрiв за заданi границi, система логу-вання подiй, генерацiя сигналiв оператору (користувачевi) за допомогою сервiсiв SMS-мережi мобiльного зв&язку. Показано, що та-ка система мае забезпечити новий рiвень вщ-даленого мошторингу та пiдвищити ефекти-внють енергетичних виробництв. У статтi не наведено шформащю про обчислювальнi можливосп модулiв монiторингу параметрiв виробництва та протоколи обмшу даними.

У [4-5] наведено приклади розроблення штелектуальних систем рiзного призначення. Запропонованi системи використовують технологи iнтернету речей та мають забезпечити новий рiвень розв&язання поставлених прик-ладних завдань побудови ефективних вироб-ництв та штелектуальних транспортних систем сучасних великих мют.

У [6-7] запропоновано архггектуру Web-орiентовано! системи вiддаленого контролю та керування. Розглянуто питання побудови апаратного та програмного складниюв таких систем з урахуванням передачi даних каналами мобшьного зв&язку. Показано, що таку систему можна використовувати для побудо-ви систем телематики на транспорта

У [8-10] проанатзовано проблеми юбер-безпеки для систем на основi iнтернету речей. Показано основш тенденци розвитку «розумних речей» та загроз, шо супрово-джують цей процес, пов&язанi з конфщенцш-нiстю, через вразливостi вбудованих систем та основних комушкацшних та embedded-технологiй, наведено огляд нових технологш безпеки 1оТ та сучасних тенденцш досль джень 1оТ у галузi безпеки.

Мета i постановка завдання

Метою е розроблення й аналiз структури прикладного протоколу обмшу даними для пристро!в, що передають iнформацiю за допомогою комп&ютерно! мережi та мають об-межеш обчислювальнi можливостi порiвняно з шшими пристроями в цiй же мережа

Для досягнення поставлено! мети необ-хiдно проаналiзувати наявнi протоколи обмь ну даними та розробити структуру протоколу та пристро! для його тестування.

Виклад основного матерiалу

Одним з реальних та поширених сценарив використання вщдаленого контролю та керування е тдприемства з добичi та транспор-тування природних ресурсiв, наприклад наф-ти. Характерним сценарiем роботи таких

шдприемств е об&еднання декшькох об&екпв однieю системою керування та мошторингу.

До основних проблем таких застосувань потрiбно вщнести достатньо велию вiдстанi мiж оператором та обладнанням.

Як правило, для передачi даних вщ облад-нання до оператора використовують один з промислових протоколiв, наприклад MODBUS [11], та прикладш протоколи на його основу що, як правило, додатково реалiзують функцп користувача для керування специфь чним обладнанням або реалiзащ! спецiальних функцюнальних можливостей з метою мош-торингу рiзних фiзичних параметрiв.

Протокол використовуеться в конфиура-цп клiент/сервер та належить до прикладного рiвня моделi OSI [12]. Перевагою цього протоколу е те, що вш може працювати з рiзни-ми транспортними протоколами вщ TCP/IP та UDP до асинхронно! передачi даних з ви-користанням фiзичних носив, таких як: EIA/TIA-232-E, EIA422, EIA/TIA-485-A; во-локонно-оптичнi лiнi!, радiоканали та ш

Типова посилка в цьому протоколi мю-тить код функцп (1 байт) та поле даних змш-но! довжини, адреса пристрою в мережi е обов&язковим параметром та ушкальним ще-нтифiкатором. Величина посилки обмежена з юторичних причин та не мае перевищувати 256 байт за умови використання RS232/ RS485 та 260 байпв у разi використання TCP/IP.

Цiлiснiсть даних забезпечуеться за допомогою використання CRC16 та засобами протоколу TCP/IP.

Клiент у цьому випадку - центральний контролер, що збирае даш з пристро!в, а сервер - це кшцевий пристрш, що безпосеред-ньо керуе обладнанням.

Запит Виповиь

Сервер

Рис. 1. Схема роботи протоколу

Одним з основних недолтв подiбних протоколiв е !хня надлишковiсть, що виражаеться у великому обсязi однотипних службових даних для однакових параметрiв. Це не тшьки перенавантажуе мережу, а

потребуе достатньо потужних пристро!в для приймання та передавання даних (промiжних контролерiв або промислових модемiв). Необхщнють в останнiх виникае для вщдалених об&ектiв, коли немае можливостi (або економiчно недоцiльно) прокладати багато лшш зв&язку на об&ект.

Таким чином, наявш протоколи вимагають достатньо потужних пристро!в для збирання та оброблення даних.

Структура даних прикладного протоколу обмшу даними в iнтернетi речей

Суть запропоновано! ще! та техшчного рiшення полягае в такому:

— ус параметри повиннi мати вщмггку часу, коли вони були отримаш;

— данi можна стиснути для економи трафiку даних;

— для кодування (стиснення даних) по-трiбно використовувати стандартнi операци, наприклад, бггове маскування або зсуви, якi швидко виконуються в бiльшостi процесорiв.

З огляду на поставлен критери, MODBUS-подiбний протокол для iнтернету речей буде мютити:

— 1 байт на щентифшатор пристрою;

— 4 байти на маску параметрiв усереди-ш посилки;

— поле даних до 8 байта;

— поле контролю щлюносп даних до 4 байта;

— поле вщмггки часу - 2 байти, лiчиль-ник, що використовуеться для синхрошзаци даних на приймальнш та передавальнiй сторош.

Перевагою тако! структури посилки е мо-жливiсть стискати трафiк даних за рахунок виключення з посилки неактуальних даних. Стиснення даних вщбуваеться за рахунок маскування потрiбних бтв даних, самi данi передаються потоком. Для тако! схеми роз-мiр даних у байтах мае бути однаковим.

Синхрошзащя даних полягае в такому. До кожно! посилки даних на передавальнш сторонi послiдовно додаеться одиниця. На приймальнш сторош тд час прийому кожного пакета вщбуваеться той самий процес. Далi порiвнюються двi вiдмiтки часу й даш або приймаються, або вщхиляються.

Таким чином, отримали структуру даних прикладного протоколу для реалiзацil на пристроях з обмеженими можливостями.

Для тестування запропонованого протоколу було зiбрано тестову систему приймання та передавання даних, що емулюе роботу у складi SCADA.

Тестова система мютить:

- Центральний контролер для збирання даних на базi iMX6ULL з 512 Мб ОЗП. Контролер працюе пiд керуванням ОС Лшукс 4.15 та забезпечуе роботу по асинхронних протоколах EIA/TIA-485-A за допомогою спецiального адаптера (плата розширення). Тестове програмне забезпечення написане мовою програмування С++ та використовуе модифшоваш стандартнi бiблiотеки для чи-тання та передавання даних.

- Контролер збирання та передавання да-них на базi Orange Pi 2G-IOT, яких збирае даш iз сенсорiв та передае !х на центральний контролер. Перед передачею даш перетво-рюються вiдповiдно до описано! схеми. Про-грамне забезпечення та протокол реалiзовано мовою програмування С++.

На приймальнш сторош такий самий контролер використовуеться для приймання да-них i працюе в парi з центральним контролером.

Проведений експеримент показав можли-вють реалiзацi! запропонованого протоколу.

Висновки

Представлено розробку структури даних для реалiзацi! протоколу, що може бути при-датним на пристро! з обмеженими обчислю-вальними можливостями. Проведено аналiз протоколiв та обрано за еталонний протокол MODBUS, який широко використовуеться для промислових застосувань.

Розроблено структуру даних протоколу та описано роботу з даними, наведено структуру тестово! системи, що емулюе роботу SCADA. Для вщображення даних реашзовано тестову програму, що дозволяе в1дображати данi як в табличному, так i в графiчному виглядi.

Перспективами подальших дослщжень е розширення функцiональних можливостей запро-понованого протоколу та тестування в реальних «польових» умовах.

Лiтература

1. Waher P. Choose the Right Communication Pattern for Your IoT Project. 2016. URL: https ://software.intel. com/en-us/articles/communication-patterns-for-the-internet-of-things (дата звернення: 14.09.2019).
2. Mnushka O.V. IOT architecture patterns and data protocols // ¡нформацшш технологи: наука, те-хшка, технологiя, освiта, здоров&я: тези допо-вiдей XXVI мiжнародноi науково-практично!& конференцii MicroCAD-2018, 16-18 травня
2018 р.: у 4 ч. / за ред. проф. £.1. Сокола. - Харшв: НТУ «ХП1». - 2018. - Ч. IV. - С. 188.
3. Unde M.D., Kurhe P.S. Web based control and data acquisition system for industrial application monitoring, 2017 International Conference on Energy, Communication, Data Analytics and Soft Computing (ICECDS), Chennai, 2017, P. 246249.
4. Liu Y., Zhao Y., Tao L., Zhao K., Li K. The Application of Digital Flexible Intelligent Manufacturing System in Machine Manufacturing Industry, 2018 IEEE 8th Annual International Conference on CYBER Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER), Tianjin, China, 2018, P. 664-668.
5. Liu Y. Big Data Technology and Its Analysis of Application in Urban Intelligent Transportation System, 2018 International Conference on Intelligent Transportation, Big Data Smart City (ICITBS), Xiamen, 2018, P. 17-19.
6. Мнушка О.В. Архггектура веб-орiентованоi SCADA-системи // Вкник Нацюнального тех-шчного ушверситету «Харшвський полггехш-чний шститут»: зб. наук. праць. Серiя: 1нфор-матика та моделювання. - Харкав: НТУ «ХП1», 2018. - № 24 (1300). - С. 117-128.
7. Мнушка О.В. SCADA на основi промислового 1нтернету речей: архiтектура системи // Техш-чний сервiс агропромислового, лiсового та транспортного комплексiв. - Харшв, 2018. -№ 12. - С. 117-124.
8. Sezer S. T1C: IoT Security: - Threats, Security Challenges and IoT Security Research and Technology Trends. 2018 31st IEEE International System-on-Chip Conference (SOCC), Arlington, VA, 2018. - P. 1-2.
9. Oh S., Kim Y. Development of IoT security component for interoperability. 2017 13th International Computer Engineering Conference (ICENCO), Cairo, 2017. - P. 41-44.
10. Швнева О.А., Мнушка О.В. Проблеми безпеки екосистеми 1нтернету речей (1оТ) // Синергетика, мехатрошка, телематика дорожшх машин i систем у навчальному процеа та наущ: зб. наук. праць за матер. II мiжн. наук.-практ. конф. - Харшв, ХНАДУ, 2018. - С. 85-87.
11. MODBUS Application protocol 1.1b. URL: http://www.modbus.org/docs/Modbus_Applicatio n_Protocol_V1_1b.pdf (дата звернення: 18.09.2019).
12. Russel A.L. OSI: The Internet That Wasn&t. 2013. URL: https://spectrum.ieee.org/tech-history/cyberspace/osi-the-internet-that-wasnt (дата звернення: 18.09.2019).

References

1. Waher P. Choose the Right Communication Pattern for Your IoT Project. 2016. URL: https://software.intel.com/en-us/articles/communication-patterns-for-the-internet-of-things (дата звернення: 14.09.2019).
2. Mnushka O.V. IOT architecture patterns and data protocols // Information technologies: science, engineering, technology, education, health abstracts ХХУ1 International scientific-practical conference MicroCAD-2018, 16-18 May 2018 р. / za red. prof. E.I. Sokola. - Kharkiv: National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute». - 2018. - P. IV. С. 188.
3. Unde M.D., Kurhe P.S. Web based control and

data acquisition system for industrial application monitoring, 2017 International Conference on Energy, Communication, Data Analytics and Soft Computing (ICECDS), Chennai, 2017, P. 246-249.

4. Liu Y., Zhao Y., Tao L., Zhao K., Li K. The

Application of Digital Flexible Intelligent Manufacturing System in Machine Manufacturing Industry, 2018 IEEE 8th Annual International Conference on CYBER Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER), Tianjin, China, 2018, P. 664-668.

5. Liu Y. Big Data Technology and Its Analysis of

Application in Urban Intelligent Transportation System, 2018 International Conference on Intelligent Transportation, Big Data Smart City (ICITBS), Xiamen, 2018, P. 17-19.

6. Mnushka О.У The architecture of a web-based SCADA system // Vistnyk National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute»: zb. nauk. pr. Serija: Informatika ta modeluvannia. -Kharkiv: NTU «KPI», 2018. - № 24 (1300). - P. 117-128. [in Ukrainian].
7. Mnushka О.У SCADA based on the industrial Internet of Things: architecture of the system // Technical service of agriculture, forestry and transport systems. - Kharkiv, 2018. - № 12. -P. 117-124. [in Ukrainian].
8. Sezer S. T1C: IoT Security: - Threats, Security Challenges and IoT Security Research and Technology Trends. 2018 31st IEEE International System-on-Chip Conference (SOCC), Arlington, VA, 2018. - P. 1-2.
9. Oh S., Kim Y. Development of IoT security component for interoperability. 2017 13th International Computer Engineering Conference (ICENCO), Cairo, 2017. - P. 41-44.
10. Швнева О.А., Мнушка О.В. Проблеми безпеки

екосистеми 1нтернету речей (1оТ) // Синергетика, мехатрошка, телематика дорожшх машин i систем у навчальному процеа та наущ: зб. наук. праць за матер. II мiжн. наук.-практ. конф. - Харшв, ХНАДУ, 2018. - С. 85-87.

11. MODBUS Application protocol 1.1b. URL: http://www.modbus.org/docs/Modbus_Applicatio n_Protocol_V1_1b.pdf (accessed: 18.09.2019).
12. Russel A.L. OSI: The Internet That Wasn&t. 2013. URL: https://spectrum.ieee.org/tech-history/cyberspace/osi-the-internet-that-wasnt (accessed: 18.09.2019).

Мнушка Оксана Васил1вна1, асистент, кафедра комп&ютерних технологш i мехатрошки, тел. +38 067 576-78-63, e-mail: mnushka.ov@gmail.com, Швнсва Олександра Андривна1, студентка, кафедра комп&ютерних технологш i мехатрошки, тел. (+38057)707-37-47, e-mail: apivneva1@gmail.com, Савченко Володимир Миколайович1, к.т.н., кафедра комп&ютерних технологш i мехатронiки, тел. (+38057)707-37-47, e-mail: savchenko@live.com. 1Xаркiвський нацiональний автомобшьно-дорожнш унiверситет, 61002, Украша, м. Харшв, вул. Ярослава Мудрого, 25.

Прикладной протокол обмена данными в интернете вещей

Аннотация. Проанализировано применение протоколов обмена данными в интернете вещей. Предложено прикладной протокол обмена данным для устройств с ограниченными вычислительными возможностями для применения в системе сбора и обработки данных с удаленных объектов управления, проанализирована структура протокола и перспективы его использования.

Мнушка Оксана Васильевна1, ассистент, кафедра компьютерных технологий и мехатроники, тел. (+38057)707-37-47, e-mail: mnushka.ov@gmail.com, Пивнева Александра Андреевна1, студентка, кафедра компьютерных технологий и мехатрони-ки, тел. (+38057)707-37-47, e-mail: apivneva1@gmail.com, Савченко Владимир Николаевич1, к.т.н., кафедра компьютерных технологий и мехатроники, тел. (+38057)707-37-47, e-mail: savchenko@live.com. :Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, 61002, Украина, м. Харьков, ул. Ярослава Мудрого, 25.

Application protocol of data transfer in the Internet of Things

Abstract. Problem. Currently, many various application protocols are used for data transfer on the Internet of Things. One of the main problems is that nonstandard protocols for various devices are used, which causes more and more problems in computational environment. Goal. The goal is development and analysis of the structure of the application protocol for the exchange of data for devices that transmit data over a computer network and have limited computing capabilities compared to other devices on the same network. Methodology. The analytical methods of research are used for development and application of methods and devices for data transfer on the Internet of thing. Results. The protocol structure for data exchange is developed. The proposed approach allows you to get rid of redundant data when working with the same type of data (data of the same size) by masking and removing irrelevant values from the transmitted data at a given time. Originality. The developed protocol is based on the ideas of the MODBUS protocol and expands its functional resources through the implementation of mechanized techniques for removing excess information from transmitted data. Practical value. Reducing the amount of computation and cutting computations to standard operations of shift and masking can reduce the requirements for the processing power of equipment, therefore, increase the economic efficiency of development.

Mnushka Oksana1, assistant, department of Computer technologies and Mechatronics, tel.(+38057)707-37-47, e-mail: mnushka.ov@gmail.com, Pivnieva Oleksandra1, student, department of Computer technologies and Mechatronics, tel.(+38057)707-37-47, e-mail: apivneva1@gmail.com, Savchenko Volodymyr1, Cand. of Since, department of Computer technologies and Mechatronics, tel.(+38057)707-37-47, e-mail: savchenko@live.com.

1Kharkov National Automobile and Highway University, 25, Yaroslava Mudrogo str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
internet of things МЕРЕЖНИЙ ПРОТОКОЛ ОБРОБЛЕННЯ ДАНИХ СЕТЕВОЙ ПРОТОКОЛ ОБРАБОТКА ДАННЫХ network protocol data processing
Другие работы в данной теме: