Lựa chọn tài liệu tham chiếu để xây dựng tiêu chuẩn về kiến trúc tham chiếu IoT

Các tài liệu mô tả về kiến trúc tham chiếu IoT trên thế giới

Hiện nay đang tồn tại nhiều tài liệu mang tính quốc tế khác nhau có nội dung về kiến trúc tham chiếu IoT. Đó là: bản nháp về tiêu chuẩn IoT RA của ISO [1], tài liệu về kiến trúc tham chiếu cho internet công nghiệp (IIRA) [2], mô hình kiến trúc tham chiếu cho công nghiệp 4.0 (RAMI 4.0) [3], bản nháp về kiến trúc của web cho vạn vật (WoT Architecture) [4], tiêu chuẩn ITU-T Y.4115 [7] về kiến trúc tham chiếu cho IoT DCE, tiêu chuẩn ITU-T Y.2060 [5] quy định về các yêu cầu chung đối với các hệ thống IoT, kiến trúc tham chiếu IoT mức cao của Microsoft [8], mô hình kiến trúc tham chiếu IoT của WSO2 [9].

Dự thảo tiêu chuẩn của ISO về IoT RA bao gồm các thông tin IoT tổng quát. Tài liệu này trình bàyvề các đặc trưng của hệ thống, mô hình khái niệm, mô hình tham chiếu, và các góc nhìn kiến ​​trúc của IoT. Tài liệu được xây dựng tại buổi làm việcnhóm số 10 của Uỷ ban liên kết kỹ thuật của Tổ chức Tiêu chuẩn hoá Quốc tế và Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (ISO/IEC JTC1 WG10). Sau này, nếu tài liệu này trở thành một tiêu chuẩn quốc tế, nó sẽ là một tài liệu tham khảo chính thống cho các thuật ngữ và các khái niệm về IoT. Các đặc tính của IoT được phân tích bao gồm33 điểm, và được gom thành chín nhóm. Mô hình khái niệm bao gồm một mô hình tổng thể cho các khái niệm IoT (bức tranh tổng thể)cộng với 5 khái niệm quan trọng của IoT: khái niệm về các miền, khái niệm về nhận dạng, khái niệm về dịch vụ và truyền thông, khái niệm về người dùng IoT, và khái niệm về thiết bị IoT.Có hai loại mô hình tham chiếu bao gồm: mô hình tham chiếu dựa trên thực tể và mô hình tham chiếu dựa trên miền. Mô hình tham chiếu dựa trên thực thểmô tả về mối liên quan lẫn nhau giữacác người dùng, hệ thống, mạng, cổng, thiết bị và thực thể. Mô hình tham chiếu dựa trên miền biểu diễn mối quan hệ giữa các miền, bao gồm miền người dùng, miền vận hành và quản trị, miền dịch vụứng dụng, miền tài nguyên và trao đổi, miền cảm biến và điều khiển, và miền thực thể vật lý.

IIRA định nghĩa Internet công nghiệp là "internet của sự vật, máy móc, máy tính và con người, cho phép thực hiện các hoạt động công nghiệp thông minh trong đó có sử dụng các phân tích dữ liệu tiên tiến nhằm tạo ra các kết quả kinh doanh chuyển đổi", và chỉ ra rằng "internet công nghiệplà sự hội tụ của hệ sinh thái công nghiệp toàn cầu, quá trình tính toán và sản xuất tiên tiến, hệ thống cảm rộng khắp, và kết nốimạng mọi lúc mọi nơi". Tài liệu này thừa nhận định nghĩa về "Internet vạn vật" của ISO, và chủ yếu tập trung vào các ứng dụng công nghiệp của IoT.IIRA đã được xuất bản vào tháng 6 năm 2015. Nó bao gồm một sự mô tả ngắn gọn và toàn diện về kiến ​​trúc IoT từ đầu cuối tới đầu cuối cho nền công nghiệp Internet công nghiệp. Tài liệu này cung cấp một định nghĩa về các thành phần cấu thành nền cùng các giao diện IoT, với các yêu cầu chức năng và các công nghệ thực hiện. Nó được xây dựng và được chứng thực dựa trên các kịch bảnvận hành cốt lõi, và đã được triển khai và thử nghiệm trong môi trường thí nghiệm của IIC. Mục tiêu trọng tâm của IIRA là cung cấp và đảm bảo các đặc tính hệ thống đầu cuối then chốt là an toàn, an ninh, tin cậy, riêng tư và khả năng phục hồi.Báo cáo kỹ thuật IIRA có hai phần. Phần đầu tiên mô tả một số quan điểm và các miền chức năng cần thiết để đánh giá hệ thống Internet công nghiệp. Các quan điểm này được thảo luận trong sự so sánh và đối chiếu giữa các góc nhìn khác. Phần thứ hai bao gồmsự phân tích về các vấn đề trọng tâm của hệ thống, bao gồm cả sựphổ biến và đảm bảo các đặc điểm hệ thống then chốt.

RAMI 4.0 tập trung vào mô tả IoT và các hệ thống mạng vật lý trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp.Nền tảng công nghiệp 4.0 nhận định rằng chúng ta đang trải qua cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, và cuộc cách mạng này dựa trên các hệ thống IoT và mạng vật lý. Trọng tâm của tài liệu là về các ứng dụng công nghiệp, về việc sử dụng các công cụ vi tính, cùng các vấn đề liên quan đến những khái niệm này.RAMI 4.0 là một mô hình kiến ​​trúc tham khảo cho cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư này. Đây là ma trận ba chiều có thể được sử dụng để định vị các tiêu chuẩn và mô tả các kịch bản sử dụng. Nó đề cập tới sự hội nhập giữa các nhà máy, kỹ thuật kết nối đầu cuối tới đầu cuối, cùng sự kết hợp với giá trị con người.Học viện Khoa học và Kỹ thuật Quốc gia Đức (ACATEC) đã tiến hành nghiên cứu về nền tảng công nghiệp 4.0 từ tháng 4 năm 2013. Một tổ chức chuyên trách vềnền tảng công nghiệp 4.0 sau đó được hình thành để quản lý quá trình triển khai ý tưởng này.

W3C diễn giải các hoạt động về web của vạn vật theo cách sau: "internet vạn vật (IoT) chịu ảnh hưởng của việc thiếu khả năng tương tác giữa các nền tảng công nghệ. Hệ quả là các nhà phát triển đang phải đối mặt với các kho dữ liệu khổng lồ, chi phí cao, và tiềm năng thị trường hạn chế. Điều này có thể được so sánh với tình cảnh trước khi có Internet, khi đótồn tại những công nghệ mạng không có khả năng tương thích lẫn nhau. Internet ra đời đã tạo điều kiện cho việc phát triển các ứng dụng của những công nghệ độc lập đó được kết nối với nhau một cách dễ dàng. W3C đang tìm cách làm tương tự đối với internet vạn vật". Ở đây, Internet được xem như là một mô hình chứ không phải là một thành phần thiết yếu (cho dù trên thực tế nó thường đóng vai trò là một thành phần thiết yếu). Trọng tâm của tài liệu là về khả năng tương tác nói chung, chứ không tập trung vào bất kỳ lĩnh vực ứng dụng cụ thể nào.Web của vạn vậtđưa ra khái niệm về một lớp tương hợp dành cho IoT, theo đó nó có thể được sử dụng trên nhiều nền tảng và tiêu chuẩn khác nhau. Nó tương tự như mối quan hệ giữa Internet và các công nghệ mạng lớp dưới. Internet định nghĩa một lớp trừu tượng với các địa chỉ và các gói IP, cùng với các khe kết nối API hoạt động độc lập với những công nghệ đó. Web vạn vật cũng làm đơn giản hóa việc phát triển ứng dụng và chuyển gánh nặng về khả năng tương tác giữa các nền tảng cho các nhà phát triển nền tảng dựa trên việc sử dụng siêu dữ liệu. Web vạn vật sử dụng khung mô tả tài nguyên (RDF) như là một ngôn ngữ chuyển đổi cho siêu dữ liệu,đồng thời hỗ trợ phát hiện, tích hợp dịch vụ, và đánh giá dựa trên các mô hình dịch vụ có tính ngữ nghĩa.Web vạn vật cung cấp một khuôn khổ cho sự tương hợp giữa các hệ thống IoT, dựa trên các tiêu chuẩn liên nền tảng, và sử dụng các khái niệm của World-Wide-Web. Hiện nay đã tồn tại một kiến ​​trúc nháp không chính thức, tính đến tháng 9 năm 2016, nhưng nó chưa được chính thức hóa thành tài liệu về kiến trúc tham chiếu.

Trong tiêu chuẩn ITU-T Y.2060 [5] quy định về các yêu cầu chung đối với các hệ thống IoT cũng nêu lên một phác thảo về mô hình tham chiếu IoT. Về cơ bản, mô hình tham chiếu IoT là một thành phần của kiến trúc tham chiếu IoT nói chung. Mô hình tham chiếu trong tài liệu [5] được biểu diễn dưới dạng các lớp/tầng thành phần khác nhau, bao gồm tầng ứng dụng, tầng hỗ trợ dịch vụ và hỗ trợ ứng dụng, tầng mạng và tầng thiết bị.Ngoài ra, mô hình cũng đề cập đến một số vấn đề liên quan đến năng lực bảo mật và năng lực quản lý của hệ thống IoT.Những thông tin này được mô tả vắn tắt dưới dạng khái niệm. Trong tiêu chuẩn kiến trúc tham chiếu của IoT được thực hiện trong đề tài này, các thành phần của mô hình tham chiếu được mô tả ở [5] đã được trình bày đầy đủ và chi tiết, đảm bảo tính thống nhất về mặt nội dung giữa các tiêu chuẩn khác nhau liên quan đến IoT.

Tiêu chuẩn ITU-T Y.4115 [7] đưa ra các yêu cầu về tiêu chuẩn cho khả năng nhận diện và kết nối các thiết bị IoT. Tiêu chuẩn này tập trung vào việc hỗ trợ các ứng dụng IoT trên các thiết bị DCE (chẳng hạn như điện thoại thông minh, tablets, cổng thông minh,...) nhằm truy cập vào các tính năng thiết bị IoT mà kết nối đến thiết bị DCE. Khuyến nghị này cũng mô tả rõ khái niệm về IoT DCE cùng các đặc tính chung và các yêu cầu cơ bản của nó, đồng thời cung cấp một kiến trúc tham chiếu cho IoT DCE và các thủ tục kết nối tương ứng ở mức cao. Những nội dung trong tiêu chuẩn [7] của ITU-T có ý nghĩa lớn trong quá trình thiết kế và sản xuất các thiết bị IoT. Tuy nhiên, mục tiêu của đề tài này là xây dựng một kiến trúc tham chiếu tổng quát cho tất cả các hệ thống IoT nên tài liệu [7] sẽ đóng vai trò là nguồn tham khảo và kiểm chứng thông tin.

Microsoft [8] giới thiệu một kiến trúc tham chiếu ở mức cao, bao gồm các dịch vụ nền tảng cốt lõi và các thành phần ở mức ứng dụng, nó cung cấp các giải pháp xử lý cho một hệ thống IoT điển hình: kết nối thiết bị, xử lý dữ liệu, phân tích và quản lý, biểu diễn và kết nối nghiệp vụ. Về cơ bản, đây là một mô hình kiến trúc cho các giải pháp IoT dựa trên nền tảng của Microsoft Azure (hệ thống đám mây cung cấp các dịch vụ công nghệ thông tin của Microsoft). Mục đích của kiến trúc này là cung cấp một tầm nhìn và hướng dẫn cho các khách hàng, đối tác của Microsoft, những người đang sử dụng cũng như cung cấp các dịch vụ IoT trên nền tảng của Microsoft Azure. Do vậy, kiến trúc tham chiếu này chỉ có thể được sử dụng như một tài liệu tham khảo và chưa đủ các yếu tố để trở thành một tiêu chuẩn chung cho các hệ thống IoT.

WSO2 [9] đưa ra mô hình kiến trúc tham chiếu IoT với các thành phần được biểu diễn theo lớp (hình 6), bao gồm: lớp thiết bị, lớp kết nối, lớp tổ hợp, kênh, lớp xử lý và phân tích sự kiện, lớp truyền thông/đối ngoại, lớp quản lý thiết bị, lớp quản lý nhận dạng và truy cập. Kiến trúc tham chiếu cho IoT của WSO2 được WSO2 khuyến cáo sử dụng trên nền tảng WSO2 (WSO2 Platform), đây là một nền tảng mã nguồn mở dạng mô-đun được phát triển hoàn toàn bởi WSO2 theo mô hình đám mây. Nền tảng này cung cấp một kiến trúc tổng quan phía máy chủ, bao gồm cổng kết nối và một số thành phần tham chiếu cho lớp thiết bị. Nền tảng WSO2 hỗ trợ triển khai dựa trên các nội dung:

-       Sử dụng trên các máy chủ truyền thống như: Linux, Windows, Solaris và AIX.

-       Triển khai các dịch vụ đám mây công cộng như: Amazon EC2, Microsoft Azure và Google Compute Engine.

-       Phát triển điện toán đám mây trên các nền tảng gồm: OpenStack, Suse Cloud, Eucalyptus, Amazon Virtual Private Cloud và Apache Stratos.

Kiến trúc tham chiếu cho IoT của WSO2 được mô tả khá đầy đủ, tuy nhiên vẫn còn ở mức tổng quát và thiếu những yêu cầu cụ thể để có thể tạo nên một tiêu chuẩn về kiến trúc tham chiếu chung cho các hệ thống IoT.

Lựa chọn tài liệu tham chiếu chính để xây dựng tiêu chuẩn

Căn cứ vào thực tế là hiện nay chưa có một tiêu chuẩn hoàn chỉnh và chính thống mang tínhquốc tế nào về kiến trúc tham chiếu IoT nên quá trình xây dựng tiêu chuẩn IoT RA tại Việt Nam trong đề tài này chủ yếu dựa trên sự tổng hợp một sốtài liệu như: dự thảo tiêu chuẩn của nhóm xây dựng tiêu chuẩn kiến trúc tham chiếu IoT của tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO) [1], và các tài liệu của ITUT[5][6][7].

Mặc dù dự thảo về tiêu chuẩn IoT RA củaISO về cơ bản vẫn chưa thực sự hoàn chỉnh, và chưa phải là bản cuối cùng của quá trình xây dựng nên tiêu chuẩn này của ISO, tuy nhiên, đến thời điểm này, đây là tài liệu có tính đầy đủ nhất về tiêu chuẩn cho kiến trúc tham chiếu IoT.Ngoài ra, một số thành phần của IoT RA, như mô hình tham chiếu IoT, được mô tả trong tài liệu này cũng hoàn toàn phù hợp với các nội dung trong các tiêu chuẩn của ITUT về IoT [5].

Nội dung chính đề xuất cho dự thảo bao gồm:

Các đặc tính cơ bản của IoT, bao gồm cáctập đặc tính sau:

-       Các đặc tính hệ thống,

-       Các đặc tính dịch vụ

-       Các đặc tính thành phần

-       Các đặc tính tương thích

-       Các đặc tính khả dụng

-       Các đặc tính bền vững

-       Các đặc tính an toàn bảo mật

-       Vấn đề về bảo vệ thông tin nhận dạng cá nhân

-       Các đặc tính khác

Các thành phần của kiến trúc tham chiếu IoT, bao gồm các nội dung sau:

-       Mô hình khái niệm của IoT

-       Mô hình tham chiếu của IoT

Phụ lục A:Diễn giải lược đồ mô hình

Phụ lục B:Các bảng về quan hệ các thực thể CM

Phụ lục C: Tổng thể cơ sở hạ tầng IoT mức cao