C.1.3. Kiến Trúc Tham Chiếu IoT - IoT Architecture (P2)
Mô hình tham chiếu IoT và các lớp do CISCO đề xuất gồm 7 lớp, luồng dữ liệu ở cả hai hướng. Trong điều khiển, thông tin điều khiển đi từ trên cùng của mô hình (lớp 7) xuống dưới cùng (lớp 1). Trong mô hình giám sát, luồng thông tin đi theo chiều ngược lại.
1.3.3. Mô hình tham chiếu IoT 7 lớp
Hình 1.3 minh họa mô hình tham chiếu IoT và các lớp của nó do CISCO đề xuất. Điều quan trọng cần lưu ý là trong IoT, luồng dữ liệu ở cả hai hướng. Trong điều khiển, thông tin điều khiển đi từ trên cùng của mô hình (lớp 7) xuống dưới cùng (lớp 1). Trong mô hình giám sát, luồng thông tin đi theo chiều ngược lại. Trong hầu hết các hệ thống IoT, luồng thông tin sẽ là hai chiều.
Hình 1.3 Mô hình kiến trúc IoT
Lớp 1. Thiết bị vật lý và bộ điều khiển
Lớp này bao gồm các thiết bị vật lý và các bộ điều khiển để điều khiển nhiều thiết bị. Đây là “Thing” trong IoT, và chúng bao gồm một loạt các thiết bị đầu cuối gửi và nhận thôn tin. Ngày nay, danh sách các thiết bị đã rất rộng và nó sẽ trở nên không giới hạn khi có nhiều thiết bị IoT được thêm vào theo thời gian.
Các thiết bị ở lớp này cũng rất đa dạng và không có quy tắc nào về kích thước, vị trí hoặc nguồn gốc. Một số thiết bị sẽ có kích thước nhỏ như một con chíp bán dẫn, số khác sẽ lớn như các phương tiện giao thông.
Để đơn giản hóa khả năng tương thích và hỗ trợ khả năng sản xuất của hàng chục hay hàng trăm nhà sản xuất khác nhau, mô hình tham chiếu IoT mô tả các mức độ xử lý cho thiết bị ở lớp 1 như sau:
- Khả năng chuyển đổi tương tự sang số theo yêu cầu.
- Khả năng tạo dữ liệu hay thu thập dữ liệu.
- Được truy vấn và điều khiển qua mạng.
Lớp 2. Khả năng kết nối
Giao tiếp và khả năng kết nối được tập trung ở lớp 2 của mô hình tham chiếu IoT. Chức năng quan trọng nhất của lớp này là tuyền tải thông tin đáng tin cậy và kịp thời giữa các thiết bị lớp 1, giữa thiết bị lớp 1 với thiết bị mạng lớp 2 và giữa các thiết bị lớp 2 với thiết bị lớp 3.
Mạng truyền thông truyền thống có nhiều chức năng, được chuẩn hóa bởi mô hình tham chiếu OSI 7 lớp. Tuy nhiên, một hệ thống IoT hoàn chỉnh có nhiều nhiều lớp chức năng ngoài lớp mạng.
Mục tiêu của mô hình tham chiếu IoT là truyền thông và xử lý được thực thi trên các mạng hiện có. Mô hình tham chiếu IoT không yêu cầu hay tạo ra một mạng mới mà nó dựa vào các mạng hiện có. Tuy nhiên, một số thiết bị cũ không được bật IP. Một số thiết bị sẽ yêu cầu bộ điều khiển độc quyền để phục vụ cho tính năng truyền thông. Tuy nhiên, theo thời gian, tiêu chuẩn hóa sẽ được tăng lên. Khi các thiết bị lớp 1 phát triển, cách mà chúng tương tác với thiết bị kết nối ở lớp 2 có thể thay đổi. Các khả năng kết nối mạng bao gồm:
- Giao tiếp giữa các thiết bị lớp 1.
- Truyền tải dữ liệu đáng tin cậy trên mạng.
- Thực thi trên các giao thức khác nhau.
- Chuyển mạch và định tuyến.
- Chuyển đổi giữa các giao thức mạng.
- Bảo mật ở lớp mạng.
- Phân tích mạng.
Lớp 3. Điện toán biên
Chức năng của lớp 3 được thúc đẩy bởi nhu cầu chuyển đổi luồng dữ liệu mạng thành thông tin phù hợp để lưu trữ và xử lý ở lớp 4 (lớp tích lũy dữ liệu). Điều này có nghĩa là các hoạt động ở lớp 3 tập trung vào phân tích và chuyển đổi dữ liệu dung lượng lớn. Ví dụ, thiết bị cảm biến ở lớp 1 có thể tạo ra nhiều mẫu dữ liệu trên giây, 24 giờ một ngày, 365 ngày một năm. Nguyên tắc cơ bản của mô hình tham chiếu IoT đó là hệ thống thông minh khi bắt đầu xử lý dữ liệu sớm nhất và gần với biên nhất có thể. Việc xử lý dữ liệu ở lớp 3 bao gồm:
- Đánh giá: Việc đánh giá dữ liệu với các tiêu chí xem liệu nó có nên được xử lý ở lớp cao hơn hay không.
- Định dạng: Định dạng lại dữ liệu để xử lý lớp cao hơn nhất quán.
- Mở rộng/ giải mã: Xử lý dữ liệu khó hiểu với ngữ cảnh bổ sung.
- Giảm hoặc tóm tắt dữ liệu để tối thiểu hóa tác động của dữ liệu và lưu lượng truy cập vào mạng.
- Thẩm định/kiểm tra: xác định xem dữ liệu đại diện cho một ngưỡng hoặc cảnh báo; điều này có thể bao gồm cả việc chuyển hướng dữ liệu đến các trạm đích bổ sung.
Lớp 4. Tích lũy dữ liệu
Hệ thống mạng được xây dựng để truyền tải dữ liệu một cách đáng tin cậy. Trước lớp 4, dữ liệu được truyền tải qua các mạng và được tổ chức truyền tải bởi các thiết bị tạo ra dữ liệu. Như đã định nghĩa ở trên, các thiết bị lớp 1 không bao gồm khả năng điện toán. Tuy nhiên, một số các hoạt động điện toán có thể xảy ra ở lớp 2 chẳng hạn như việc chuyển dịch giao thức mạng, hoặc các ứng dụng bảo mật lớp mạng. Các tác vụ tính toán bổ sung có thể được thực hiện ở lớp 3, chẳng hàn như việc kiểm tra gói tin. Các tác vụ tính toán càng gần với biên của hệ thống IoT càng tốt, với các hệ thống phức tạp thì được phân tán trên nhiều miền quản lý đại diện cho các trung tâm điện toán biên. Điện toán biên và các dịch vụ ở đó sẽ là một đặc điểm khác biệt của hệ thống IoT.
Hầu hết các ứng dụng không thể hoặc không cần xử lý dữ liệu ở tốc độ mạng có dây. Các ứng dụng thường giả định rằng dữ liệu ở trạng thái nghỉ hoặc không thay đổi lưu trong bộ nhớ hoặc trên đĩa. Ở lớp này, dữ liệu đang chuyển động được chuyển đổi sang trạng thái nghỉ. Lớp 4 xác định:
- Nếu dữ liệu được quan tâm ở lớp cao hơn: việc xử lý dữ liệu ở lớp 4 là lớp đầu tiên nó được cấu hình để phục vụ nhu cầu cụ thể ở lớp cao hơn.
- Nếu dữ liệu phải được duy trì: nên lưu dữ liệu trong ổ đĩa hoặc được tích lũy trong bộ nhớ để sử dụng trong ngắn hạn.
- Nếu dữ liệu được tổ chức hợp lý: dữ liệu có được tổ chức thích hợp cho hệ thống lưu trữ không?
- Nếu dữ liệu phải được kết hợp lại hoặc tính toán lại: Dữ liệu có thể được kết hợp, tính toán lại hoặc tổng hợp với thông tin được lưu trữ trước đó, một số trong số đó có thể đến từ các nguồn khác không phải của hệ thống IoT.
Vì lớp 4 thu thập dữ liệu và đặt nó ở trạng thái nghỉ, các ứng dụng có thể sử dụng dữ liệu đó trên cơ sở không theo thời gian thực. Các ứng dụng truy cập dữ liệu khi cần thiết. Tóm lại, lớp 4 chuyển đổi dữ liệu dựa trên sự kiện sang xử lý dữ liệu dựa trên truy vấn. Đây là một bước quan trọng trong việc thu hẹp sự khác biệt giữa các ứng dụng thời gian thực và không thời gian thực.
Lớp 5. Trừu tượng hóa
Các hệ thống IoT sẽ cần mở rộng quy mô đến cấp công ty – hoặc thậm chí toàn cầu – và sẽ yêu cầu nhiều hệ thống lưu trữ để cung cấp dữ liệu thiết bị IoT và dữ liệu từ doanh nghiệp truyền thống ERP, HRMS, CRM và các hệ thống khác. Các chức năng trừu tượng hóa dữ liệu của lớp 5 tập trung vào việc hiển thị dữ liệu và lưu trữ dữ liệu theo những cách cho phép phát triển các ứng dụng đơn giản hơn, nâng cao hiệu suất.
Với nhiều thiết bị thu thập dữ liệu, có nhiều lý do khiến dữ liệu này có thể không đến cùng một nơi lưu trữ:
- Có thể có quá nhiều dữ liệu để đặt ở một nơi.
- Di chuyển dữ liệu vào cơ sở dữ liệu có thể tiêu tốn quá nhiều công suất xử lý, do đó việc truy xuất dữ liệu đó phải tách khỏi quá trình tạo dữ liệu.
- Các thiết bị có thể bị tách biệt về mặt địa lý và quá trình xử lý được tối ưu hóa cục bộ.
- Lớp 3 và lớp 4 có thể tách luồng dữ liệu thô liên tục khỏi dữ liệu đại diện cho một sự kiện. Việc lưu trữ cho các dữ liệu trực tuyến có thể là một hệ thống dữ liệu lớn. Lưu trữ cho dữ liệu dựa trên sự kiện có thể là hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ RDBMS với thời gian truy vấn nhanh hơn.
- Các loại xử lý dữ liệu khác nhau có thể được yêu cầu.
Vì những lý do này, mức trừu tượng hóa dữ liệu phải xử lý nhiều việc khác nhau, bao gồm:
- Đối chiếu nhiều định dạng dữ liệu từ các nguồn khác nhau
- Đảm bảo ngữ nghĩa nhất quán của dữ liệu giữa các nguồn
- Xác nhận rằng dữ liệu đã hoàn tất cho ứng dụng cấp cao hơn
- Hợp nhất dữ liệu vào một nơi (với ETL, ELT hoặc sao chép dữ liệu) hoặc cung cấp quyền truy cập vào nhiều dữ liệu lưu trữ thông qua dữ liệu ảo.
- Bảo vệ dữ liệu với xác thực và phân quyền thích hợp.
- Chuẩn hóa hoặc không chuẩn hóa và lập chỉ mục dữ liệu để cung cấp quyền truy cập ứng dụng nhanh chóng.
Lớp 6. Ứng dụng
Lớp 6 là lớp ứng dụng, nơi diễn giải thông tin. Phần mềm ở lớp này tương tác với lớp 5 và dữ liệu ở trạng thái nghỉ, vì vậy nó không phải hoạt động ở tốc độ mạng. Mô hình tham chiếu IoT không cần xác định chính xác một ứng dụng cụ thể. Các ứng dụng thay đổi theo thị trường, và nhu cầu kinh doanh. Ví dụ, một số ứng dụng sẽ tập trung vào việc giám sát dữ liệu thiết bị.
Các ứng dụng bao gồm:
- Các ứng dụng kinh doanh chẳng hạn như ERP.
- Các ứng dụng di động xử lý các tương tác đơn giản.
- Các báo cáo kinh doanh thông minh, trong đó ứng dụng là máy chủ BI.
- Các ứng dụng phân tích dữ liệu cho các quyết định kinh doanh.
- Các ứng dụng trung tâm điều khiển/ quản lý hệ thống mà điều khiển chính hệ thống IoT và không tác động lên dữ liệu do nó sản xuất ra.
Lớp 7. Hợp tác và quy trình
Một trong những điểm khác biệt chính của IoT đó là IoT bao gồm con người và các quy trình. Sự khác biệt này trở nên rõ ràng ở lớp 7. Hệ thống IoT và thông tin nó tạo ra có giá trị rất ít trừ khi nó mang lại các hành động, điều này thường đòi hỏi con người và quy trình. Mọi người sử dụng các ứng dụng và dữ liệu liên quan cho các nhu cầu cụ thể. Thông thường, nhiều người sử dụng cùng một ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Vì vậy, mục tiêu không phải là ứng dụng – nó là để trao quyền cho mọi người làm công việc của họ tốt hơn.
Các ứng dụng (lớp 6) cung cấp cho cho doanh nhân các dữ liệu phù hợp, vào đúng thời điểm, để họ có thể làm đúng. Nhưng thông thường, các hành động thường đòi hỏi nhiều hơn một người ra quyết định. Mọi người phải có khả năng giao tiếp và cộng tác, đôi khi sử dụng Internet truyền thống, để làm cho IoT trở nên hữu ích. Giao tiếp và cộng tác thường yêu cầu nhiều bước hay gọi quy trình. Đây là lý do tại sao lớp 7 đại diện cho mức cao hơn một ứng dụng đơn lẻ.
Biên tập bởi Dr.S