Сети LPWAN в IETF

Редакция

Александр Пелов, Паскаль Тюбо, Суреш Кришнан

Новый класс беспроводных технологий под общим названием «сети с низким энергопотреблением и большим покрытием» (Low-Power, Wide-Area, или LPWA) обладает рядом общих характеристик, которые идеально подходят для приложений интернета вещей (Internet of Things, IoT). Эти характеристики включают оптимизацию энергопотребления радиопередачи, упрощенную сетевую топологию, пакеты размером в несколько десятков байт, передающиеся несколько раз в день с очень маленькой скоростью, и, в основном, восходящий трафик, благодаря чему устройства основную часть времени могут находиться в режиме глубокого сна с пониженным энергопотреблением. Эти характеристики позволяют вести передачу на расстоянии до нескольких километров, обеспечивают долгий срок работы от батарейки (до десяти лет работы от одной батарейки-«таблетки»), а также простое и масштабируемое развертывание с применением дешевых устройств и простых инфраструктур. Функции сетей LPWA хорошо подходят для многих приложений IoT, где не требуется передавать данные с датчиков на сколько-нибудь высокой скорости, и где невозможно обеспечить питание от электросети или частую замену батареек.
В отличие от привычных сетей, где требуется все возрастающая пропускная способность и надежность, у сетей LPWA есть целый ряд интересных приложений, где высокая пропускная способность вовсе не требуется, мало того – некритичны потери пакетов или большие задержки, например:

• измерение влажности почвы;
• мониторинг коррозии в танках и бункерах;
• отслеживание уровня снега или воды на улице;
• наличие и/или примерное расположение товара (например, автомобилей на стоянке автозавода);
• обнаружение вибраций двигателя (например, для оценки риска выхода его из строя в ближайшие часы/дни).

В подобных приложениях показания каждого отдельного датчика не имеют большой ценности, будучи, как правило, очень короткими и редко изменяющимися – например, могут сводиться к одному биту «ОК». Из-за этой особенности такие данные редко собирались эффективным образом (за исключением лишь малого числа отраслей, таких как нефтегазовая), поскольку стоимость прокладки проводов намного превосходит ценность показаний датчиков. Поэтому маловероятный останов технологических процессов из-за таких нештатных ситуаций, как неисправность клапана или потери воды в оросительной системе, считался неустранимым риском. Но пусть ценность отдельных данных и незначительна, сейчас общая ценность всех этих – до сих пор не измерявшихся – данных считается новой золотой жилой для оптимизации технологических процессов во всех отраслях и дает стимулы для внедрения Интернета в промышленности.
В типовом сценарии применения технологий LPWA стоимость датчиков должна быть как можно ниже, процедура их монтажа – как можно проще, а затраты на обслуживание устройств в течение их жизненного цикла – минимальными. Еще одна проблема связана с большим числом контролируемых объектов (одна система может контролировать тысячи или десятки тысяч «вещей») и масштабом развертывания сети, которая часто охватывает огромные площади, значительно превышающие дальность технологий локальных беспроводных сетей (WLAN) и беспроводных персональных сетей с низким энергопотреблением (LoWPAN), приближаясь к масштабам районных беспроводных сетей (Wireless Neighborhood Area Network, Wi-NAN) и сотовой связи.
При проектировании сетей LPWA (также называемых LPWAN) можно использовать оба напрашивающихся подхода, т.е. увеличивать покрытие беспроводных сетей с низким энергопотреблением или уменьшать стоимость и энергопотребление сотовых сетей. В реальности используются все возможные варианты решения описанных выше проблем, порождая целый спектр новых технологий с рядом уникальных возможностей (см. рис. 1).

Для работы в лицензируемом диапазоне частот 3GPP стандартизировала новую узкополосную технологию радиопередачи NB-IOT, особенностями которой являются простота, низкое энергопотребление и большое покрытие. Кроме того, для быстроты развертывания NB-IOT может использовать имеющуюся инфраструктуру LTE или старую сетевую инфраструктуру и сосуществовать с ними в том же частотном диапазоне. 3GPP также стандартизировала для LTE категорию простого пользовательского оборудования с низкой полосой пропускания под названием Cat-M1 и усовершенствования сетей GSM/GPRS для IoT, получившие название EC-GSM-IoT.
Еще один тип технологий LPWA (например, LoRa, SIGFOX, INGENU) предназначен для работы в нелицензируемых диапазонах промышленных, научных и медицинских частот (ISM = Industrial, Scientific and Medical), позволяя передавать данные на десятки километров со скоростью на уровне десятков кбит/с, используя самые разнообразные технологии радиосвязи, от SIGFOX Ultra Narrow Band (UNB), использующей тонкий пик спектра, и до LoRa Chirp Spread Spectrum (CSS), распределенной по всей доступной полосе пропускания. Оказалось, что комбинирование различных методов дает конечному пользователю дополнительную свободу выбора, а также свободу от привязки лишь к одной части спектра, за которую конкурировали бы все устройства и системы. Эти новые технологии дополняют возможности диапазона ISM, заложенные в стандарте IEEE802.15.4 для таких приложений, как Smart Grid (Wi-SUN) (рис. 2).

Необходимость поиска компромисса между затратами, бюджетом энергопотребления, гарантией бесперебойной работы и управляемостью указывает, что требуется добиваться оптимизации для каждого индивидуального приложения, и что разные технологии радиосвязи с разными возможностями и сервисами будут сосуществовать и в дальнейшем: для каждого конкретного приложения будет применяться та технология, которая является для нее оптимальной.
Такая свобода выбора, а также возможность адаптировать новые типы радиосвязи и сервисов по мере развития технологий и возникновения новых потребностей, создают условия для появления различных новых экосистем и приложений, что является одним из главных преимуществ подхода LPWA (см. таблицу 1).

Таблица 1. Сравнение технологий LPWA

Однако такое разнообразие должно контролироваться, иначе возникнет несовместимость: например, если в каждой технологии будет реализована своя модель приложений, идентификации, безопасности и управления сервисами, то нельзя будет мигрировать приложение по мере изменения потребностей пользователя на другую технологию, либо если архитектура приложения на стороне облака у разных технологий будет сильно отличаться, то невозможно будет использовать один и тот же набор ПО, утилит и навыков.

Чтобы не получить в результате комбинаторный взрыв сложности, необходимо обеспечить конвергенцию технологий по модели «песочных часов» с помощью дополнительного уровня поверх радиоканала, аналогично протоколу IP для Интернета.
Таким уровнем конвергенции для LPWAN могут стать IPv6 и CoAP, обеспечивая доступность устройств и в то же время их относительную изоляцию с абстрагированием от технологий беспроводной передачи более низкого уровня. На берлинской конференции IETF 96 после успешного установочного семинара была образована рабочая группа LPWAN, которая впервые собралась на IETF 97 в Сеуле. Эта рабочая группа будет заниматься передачей пакетов IPv6 по сетям LPWA и “взаимовыгодной” реализацией подключения сетей LPWAN к Интернету.
Общая архитектура LPWAN
На первый взгляд спектр технологий LPWA может показаться слишком разнообразным для стандартизации силами IETF. Например, Wi-SUN уже поддерживает IPv6 посредством 6LoWPAN, поэтому тут дополнительно работать над поддержкой не нужно. Тем не менее, в Wi-SUN можно совершенствовать другие компоненты, например, безопасность и управление идентификационными данными, что, возможно, заинтересует другие стороны, уже поддерживающие эту технологию.
При более тщательном рассмотрении выясняется, что технологии LPWAN обычно используют похожие структуры для шлюзов уровня радиоканала (RADIO-GW) с оконечными устройствами и для шлюзов сетевого уровня (LPWAN-GW), которые агрегируют трафик нескольких RADIO-GW и осуществляют соединение с внешним миром. Для технологий LPWAN также очень желательно реализовать поддержку IP-связи между сетевыми приложениями и приложениями оконечных устройств, с целью улучшения портируемости сервисов и универсализации инструментария (рис. 3).

Для IETF крайне важно создание общей архитектуры, которая обеспечит совместимость технологий. Одна из главных задач IETF – это выявить общие функциональные потребности для шлюзов LPWAN (GW) и стандартизировать реализующие этот функционал протоколы. Новая архитектура должна по-максимуму использовать основные общие черты технологий LPWAN, такие как оптимизация времени работы от батарейки, крайне нерегулярный характер трафика и низкая пропускная способность. Такие экстремальные требования далеко выходят за пределы возможностей 6LoWPAN, предназначенного для беспроводных технологий с низким энергопотреблением и малым покрытием.
Используя эту архитектуру, IETF предлагает конвергировать разные технологии радиосвязи в единые «песочные часы» с очень высоким сжатием трафика IPv6 и CoAP между оконечным устройством и сетевым шлюзом с тем, чтобы и добиться общего управления шлюзом, и предоставить приложениям безопасные интернет-сервисы.

Нужны новые алгоритмы
Некоторые технологии LPWA из-за черепашьей скорости передачи данных очень чувствительны к размеру пакета. Поэтому классические методы сжатия плохо подходят для технологий, где на передачу IP и CoAP остается всего один-два октета. Такой уровень сжатия может дать RoHC (Robust Header Compression), но в своем нынешнем виде ее нецелесообразно использовать из-за разнообразия потоков данных и прогнозируемого сильного изменения характера трафика в будущем.
В IETF необходимо больше работать над этой проблемой, возможно, взять лучшее из обеих технологий сжатия и обеспечить экстремальное сжатие, необходимое для поддержки IP и CoAP устройствами, в то же время обеспечив функционирование LPWAN-GW для терминирования потоков трафика IP – так, чтобы шлюз «считал» оконечное устройство устройством удаленного ввода-вывода (подобно USB-устройствам для ПК).
Новые протоколы должны учитывать сжатие на уровне приложений (например, CoAP) и применять для оптимизации сжатия все возможные механизмы и особенности LPWAN (прежде всего топологию «звезда» и ограниченный и заранее известный трафик для каждого оконечного устройства).
Не только сжатие
Если бы единственной целью нового направления работ IETF была возможность обмениваться данными с устройствами по IP, не нужно было бы создавать для LPWAN отдельную рабочую группу. Добавим, что реализация поддержки CoAP на оконечном устройстве позволяет использовать модель взаимодействия IETF, разработанную группами CoRE WG и T2T RG и недавно принятую Open Connectivity Foundation и другими организациями. Но для того, чтобы реализовать безопасные и доступные интернет-сервисы для устройств IoT с низким энергопотреблением, требуется сделать очень много для самого Интернета. Недавняя атака на блог Кребса «On Security» показала, что безопасность и обслуживание устройств IoT невозможно реализовать исходя из практики, выработанной для обычных ПК. Нужны гарантии долговременной защиты устройств от взлома – этого, возможно, удастся достичь путем автоматического управления положением и рассылки патчей, закрывающих уязвимости по мере их обнаружения, а также путем изоляции устройств и от возможных атак, и от возможных целей таких атак.

Кроме традиционных практик, необходимо обеспечить надежную защиту IoT-устройств от злоумышленников, пытающихся собрать с них информацию либо поставить их под контроль и использовать в своих интересах. С одной стороны, обмен данными между устройством IoT и его приложением должен быть возможен в любой момент, вне зависимости от того, развертывается ли приложение, работает в штатном режиме или выводится из эксплуатации. С другой стороны, несанкционированный обмен данными с IoT-устройствами должен всегда быть надежно перекрыт, чтобы в случае компрометации одного устройства локализовать ущерб для всей сети и пресечь возможность компрометации других устройств.
Самый простой и надежный способ защиты – это изоляция устройства и его приложений в оверлейной сети, использующей уникальные локальные адреса, которые недоступны извне. Но доступные по требованию и масштабируемые оверлеи – не единственная потребность IoT, которую может помочь реализовать IETF. Сейчас, когда к Интернету начали подключаться автомобили, а квартирные переезды осуществляются вместе с миграцией всей домашней сети, необходимо обеспечить мобильность IoT-устройств на уровне протокола IP.
Технологии оверлейных сетей IETF, например, NEMO и LISP, реализуют мобильность путем изоляции трафика, но подходы к безопасности и масштабируемости у них различны. Для того, чтобы выбирать решения, соответствующие фактическим потребностям ситуации и реальным сценариям, требуется комбинация практического опыта в области LPWA с опытом в области интернет-технологий.
Работа по IPv6 на сегодняшний момент
Проект спецификации, представленный исследовательской группой T2T RG на IETF 93, был всего лишь первым наброском. В нем в общих чертах описывались потенциальные возможности применения и возможные ограничения сетей с низким энергопотреблением и большим покрытием, а также то, как IETF может доработать эти сети, в том числе повысить их безопасность, мобильность, улучшить управление устройствами, обнаружение сетей и сервисов.
Основными задачами этого документа были изложение актуальных проблем LPWAN и организация работ по этим проблемам в уже существующих рабочих группах. Многочисленные обсуждения этих вопросов на IETF 93 и 94, а также дискуссии с другими игроками в этой отрасли показали, что для решения этих задач необходимы либо отдельная площадка, если они не вписываются в направление работ уже существующих рабочих групп, либо специальный механизм координации, если посвященные этим проблемам группы уже есть.
Правильность этого подхода еще более подтвердили разносторонние дискуссии в списке рассылки вне рабочих групп, а также большой интерес к негруппообразующей BoF на IETF 95 в Буэнос-Айресе. Поворотным пунктом стал проект спецификации Static Context Header Compression, который впервые показал на практике возможность реализации стека IETF в таких сетях с очень сильными ограничениями. Это событие, вкупе с мощным процессом стандартизации IETF, мотивировало разработчиков четырех основных технологий LPWAN (SIGFOX, LoRa, Wi-SUN и 3GPP) поддержать создание рабочей группы LPWAN и поручить IETF реализацию своего стека для этих LPWAN. Рабочая группа LPWAN также играет важную роль в том, чтобы объединить усилия разных сообществ, лишь немногие участники которых ранее имели дело с IETF.

Задачи и дорожная карта
Первым делом рабочая группа займется разработкой новых способов сжатия трафика IP/UDP/CoAP, которые заложат основу дальнейшей работы в этом направлении. График работ очень напряженный (мы планируем подготовить окончательную версию к середине 2017 года), так как спрос на четыре базовые технологии уже сейчас крайне высок. На первом этапе мы также поможем структурировать сообщество LPWAN и заложить фундамент для последующего расширения деятельности, в том числе на протоколы управления Radio-GW и LPWAN-GW, обеспечение мобильности оконечных устройств и AAA-процедуры, оверлеи, безопасность и использование DNS в ядре сетей LPWAN.