Ethernet zůstává pro IT i průmysl síťovým prostředím číslo 1

Produktová řada HW group má řadu společných rysů:

• Okamžitá dostupnost naměřených dat v aplikacích
• Funkce upozornění a alarmů
• Nasazení zařízení v podmínkách IT infrastruktury a průmyslu
• Vysoká úroveň zabezpečení dat
• Podpora široké řady softwarových aplikací a platforem
• Dálková správa zařízení

Tyto vlastnosti vyžadují spolehlivé, trvalé připojení s vysokou úrovní bezpečnosti transportních a komunikačních služeb, které dnes poskytují zejména standardy, odvozené od Ethernetu 

Co umí Ethernet, WiFi a ti další?

Ethernet

Ethernet, neboli standardní počítačová síť. V rámci IoT se opomíjí, protože pro mnoho lidí je IoT záležitost bezdrátová, ale bezdrátové řešení může znamenat problémy se sílou signálu, zarušením, rádiovými standardy a v neposlední řadě se zabezpečením. Ethernet však nemá žádné limity stran rychlosti, šifrování nebo množství přenesených dat, a proto je první volbou pro aplikace IIoT. Ethernet umožňuje kromě vlastního datového přenosu i napájení zařízení (PoE – Power over Ethernet), což může usnadnit napájení v řadě aplikací.

Je potřeba dodat, že klasická Ethernet po drátě má i řadu bezdrátových alternativ, protože další sítě využívají stejné transportní a komunikační protokoly s cílem Ethernet plně nahradit.

WiFi

WiFi čili bezdrátový ethernet. Ve většině domácností firem i veřejných prostor dnes již více méně standard. Umožňuje vysokou přenosovou rychlost, zabezpečení pomocí šifrování a pro stacionární aplikace kde nevadí vyšší spotřeba je spolehlivou alternativou drátového ethernetu. Složitější je pouze výchozí nastavování, ale i to lze řešit řadou způsobů.

GPRS/LTE

GSM, resp. GPRS je ve světě IoT zcela opomíjené rozhraní. IoT je považováno za moderní a progresivní technologii, zatímco GSM za historii, vždyť kdo by v mobilu chtěl v době 3G či 4G sítí data jen pomocí GPRS. Ale GPRS je spolehlivé rozhraní a pokud nevyžadujete přenosy desítek MB dat, je zcela vyhovující. Pokrytí je ve většině zemí perfektní, a ačkoli je v řadě zemí již ohlášeno vypnuté této sítě a její nahrazení sítí LTE, GSM ještě nějakou dobu existovat bude. Ceny jsou mírné a často můžete mít data v řádu desítek MB měsíčně zcela zdarma. Přitom můžete využívat výhody klasického ethernetu, tedy komunikace po IP, jako je http(s) a tedy nemusíte otevírat žádné zvláštní komunikační porty, zabezpečení pomocí SSL a podobně. K dispozici tedy máte klasickou komunikaci klient/server a pokud použijete pro komunikaci TCP/IP, je i potvrzovaná a máte tedy jistotu, že data dorazila do cíle.

LTE je již z pohledu laika pro IoT zajímavější, ale zde je třeba si uvědomit že není LTE jako LTE, a to právě v kombinaci se zkratkou IoT. V tomto bodě, když píšeme o LTE myslíme standardy TDD a FDD, které se označují jako 4G sítě. Tedy o klasické síti mobilních telefonů. Má stejné výhody jako GPRS, a navíc vysokou přenosovou rychlost. Postupem doby vytlačí tyto sítě klasické GSM/GPRS.

Sítě GSM i LTE jsou ideální pro mobilní aplikace, protože jsou-li v pohybu, umí se sami automaticky přeregistrovat na nejsilnější přípojný bod bez ztráty spojení. To je proti Lora, Sigfox či LTE cat M1/NB-IoT velká výhoda. Navíc umožňují zasílat data na jakoukoliv IP adresu, tedy kamkoliv a nejste vázáni na cloud a tedy i aplikace operátora.

Zatímco GSM/GPRS sítě jsou po celém světě jednotné (resp. existují 4 standardy, které lze obsáhnout jedním zařízením), v LTE sítích je situace mnohem složitější a pro různé světadíly je často nutné používat jiná zařízení.

LTE cat M1/NB-IoT

NB-IoT (Narrowband) je podmnožinou LTE cat M1. Obě sítě mají výhody IP přenosu, a proto je na ně snazší přechod než třeba na Lora či SigFox.

Zatímco NB-IoT je určena výhradně pro IoT zařízení a má silně omezenu přenosovou rychlost (< 250 kb/s pro download a < 20 kb/s pro upload)  a rovněž objem přenášených dat. Šířka pásma je 200 kHz. I zde je je problematické přepínání mezi přípojnými body, protože dokud má NB-IoT alespoň nějaké spojení, data posílá, ale protože komunikace je vesměs vedena po nepotvrzovaném protokolu UDP/IP, v mobilním nasazení se data snadno ztratí. Proto je technologie NBIoT primárně vhodná pro stacionární aplikace s mimořádně vysokými požadavky na energetickou účinnost.

LTE cat M1 na rozdíl od NB-IoT podporuje aplikace zahrnující přenos hlasu – Voice Over LTE (VoLTE) a má přenosovou rychlost až 1MB/s. Cat M1 navíc umožňuje přepínání z jedné bezdrátové buňky do další, takže je vhodná pro mobilní a pohyblivé aplikace, jako je telematika a řízení vozového parku. I zde je však nutné dodržet objem dat v rámci přenosové rychlosti a VoLTE se tak využije spíše pro hlasové zprávy než volání.

Pokud jsme situaci s LTE stran různosti zařízení v různých koutech světa považovali za komplikovanou, není to nic proti NB-IOT, resp. LTE cat. M1. Tam je ještě o pár standardů více. Naštěstí se však jedná jen u úpravy na fyzické vrstvě, a tak výrova různých modelů znamená jen osazení jiné součástky a nemá vliv na aplikaci.

HW group připravuje IoT produkty založené na NB-IoT, resp. LTE cat.M1 pro rok 2019, jejich aplikační nasazení stále předpokládá spíše v oblasti průmyslu. Velkou výhodou této technologie je jednak vazba na standardní mobilní sítě, u nichž lze předpokládat stabilní provoz a rovněž oboustranná komunikace bez nutnosti využívat cloudové úložiště operátora. Zákazník si tak může vybrat které cloudové úložiště využije. Jejich dřívějšímu nasazení zatím brání zejména malé rozšíření sítí a neprůhledná cenová politika operátorů.

Jaké jsou další technologie a jejich omezení?

LoRa / SigFox

Jedná se o dvě komunikační rozhraní vyvinutá právě pro jednoduché IoT aplikace.

Technologie SigFox pracuje v bezlicenčním ISM pásmu 868 MHz (906MHz v USA), v němž běží nelicencované krátkodosahové technologie, například část domácích meteostanic, ovládání vrat garáže, ale třeba i wMbus, technologie bezdrátového propojení měřidel. To souvisí s potřebou opravdu významně minimalizovat náklady. SigFox byl vytvořen záměrně jako lehký protokol pro přenos malých zpráv. Méně dat znamená menší spotřebu energie a tedy delší životnost napájecí baterie. Přenosová rychlost je 100 nebo 600 bitů/s. 12 bajtů užitečných dat (plus určitá režie) se tak přenáší přes 2 sekundy.

LoRa je spolehlivá bezdrátová technologie, která pro přenos dat rovněž využívá frekvenční pásmo 868 MHz, ale rychlost přenosu dat se pohybuje v rozpětí 0,25kb/s - 50kb/s. Základní prvek této technologie je modulace spread spectra, díky tomu je LoRa odolná vůči okolnímu rušení. Další výhodou této technologie je oboustranná komunikace a schopnost přepínání mezi přípojnými body. Velkou nevýhodou je složitost nastavovacích parametrů.

V obou případech je přenos dat bezpečný. Kódování je realizováno na aplikační vrstvě pomocí AES128 a vícebitové autentizace. Rovněž v obou případech je limitována doba vysílání (tedy 1% vysílací čas za hodinu – pouze 36s!) a to nejen s ohledem na nízkou spotřebu, ale také omezenou šíři přenosového pásma. V obou případech jedna zpráva může obsahovat jen několik desítek bitů (nikoliv bajtů!) je to tedy určeno pro velmi krátké zprávy typu (svítí, nesvítí, porucha, přenos teploty, ale již ne komplexnější zprávy či datalogy.)

Zároveň je třeba říci, že u obou typů sítí jsou kritéria pro spolehlivost přenosu nastavena na jinou úroveň než u standardního Ethernetu. Zatímco Ethernet dnes pracuje s kritérii spolehlivosti 99,9999 procenta, LoRa i Sigfox standardně počítají s chybovostí kolem 5%. Je to dáno omezením vysílacích časů a možností, že v danou chvíli bude buňka zahlcena. Chyba v přenosu není zařízeními nijak řešena, jsou odvysílána až data při dalším časovém slotu. U aplikací, pro které jsou obě sítě určeny, je tato úroveň spolehlivosti dostatečná.

Tyto IoT sítě (spolu s NB-IoT, resp. LTE cat M1) se rovněž nazývají LPWAN (Low power WAN) s cílem klást důraz na nízkou spotřebu a tedy možnost napájení z baterií a akumulátorů. Zařízení dosahují dlouhodobé životnosti baterií (5-10 let) právě na základě omezení odesílání dat (např. 1x za den).

Úsporný komunikační protokol sítí LPWAN navíc neumožňuje diagnostiku, vzdálenou správu ani nastavení zařízení nebo senzorů. Každý snímač musí být řízen na místě, nízkonákladové senzory, napájené bateriemi, často nemají prostor k úpravě ani základních provozních parametrů. Tyto funkce posouvají nahoru v žebříčku použitelnosti klasické sítě, založené na ethernetu, nejen v segmentech průmyslu a IT, ale také pro všechny aplikace s dálkovým dohledem.