TIỂU LUẬN các vấn đề hiện đại của kỹ thuật máy tính đề tài tiểu luận nghiên cứu về kiến trúc của iot

Khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TIỂU LUẬN Các vấn đề hiện đại của Kỹ thuật máy tính

Đề tài tiểu luận: Nghiên cứu về kiến trúc của IoT

Giảng viên đánh giá: TS.Hoàng Gia Hưng Sinh viên: Phạm Quốc Bảo

Mã sinh viên: 19020502 Lớp: K64-K2

HÀ NỘI, 2022

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Đại học Công Nghệ -

ĐHQGHN đã đưa môn học “Các vấn đề hiện đại của Kỹ thuật máy tính” vào chương

trình giảng dạy Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên bộ môn – TS Hoàng Gia Hưng, thầy Hiếu và thầy Mạnh đã dạy dỗ, truyền đạt những kiến thức

quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập vừa qua Trong thời gian tham gia lớp học, em đã có thêm cho mình nhiều kiến thức bổ ích, đảm bảo cung cấp đầy đủ kiến thức, gắn liền với thức tế và là hành trang quan trọng cho chúng em khi làm việc Xin gửi lời tri ân nhất của em đối với những điều mà thầy cô đã dành cho sinh viên chúng em

Mặc dù đã cố gắng hoàn thành bài tiểu luận với tất cả nỗ lực và cố gắng của bản thân, nhưng do hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn cũng như sự giới hạn về thời gian, bài tiểu luận của em không tránh khỏi những thiếu sót cả về nội dung và hình thức Em rất mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý của các thầy cô để giúp cho bài tiểu luận của em thêm hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

2.4 Kiến trúc của hệ thống IoT 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình phát triển con người, những cuộc cách mạng về công nghệ đóng vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của con người theo hướng hiện đại hơn Đi đôi với quá trình phát triển của con người, những thay đổi do chính tác động của con người trong tự nhiên, trong môi trường sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậu thay đổi, v.v Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng được hình thành và phát triển theo Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người Công nghệ Internet of Things (IoT) được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh,… giúp ích cho cuộc sống và xã hội

Hiện nay, công nghệ IoT đã đã trở nên khá quen thuộc và được ứng dụng khá nhiều trong các lĩnh vực của đời sống con người, đặc biệt ở các nước phát triển có nền khoa học công nghệ tiên tiến và đang dần trở nên lớn mạnh và thay đổi theo hướng tích cực không ngừng theo từng ngày Hiểu được nội dung mô hình IoT là gì

và hệ thống, các ưu nhược điểm, ý nghĩa và tính ứng dụng của nó trong hiện nay là một điều quan trọng giúp cho các hoạt động trong kinh doanh và trong cuộc sống trở nên dễ dàng hơn, hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng

Vì vậy, được sự hướng dẫn của TS Hoàng Gia Hưng, thầy Hiếu và thầy

Mạnh, em đã chọn đề tài “Nghiên cứu về kiến trúc của IoT” để có thể làm rõ hơn

về vấn đề nghiên cứu này và từ đó đề xuất một số ưu và nhược điểm của vấn đề nghiên cứu và những ý nghĩa, tính ứng dụng của vấn đề

1.2 Mục đích của vấn đề nghiên cứu

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về IoT để làm rõ nội dung, bản chất của

kiến trúc IoT và phân tích ưu điểm, nhược điểm, ý nghĩa và tính ứng dụng của

hệ thống

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

2.1 Khái niệm về IoT

IoT hay còn có tên đầy đủ là Internet of Things - một trong những yếu tố quan trọng của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 Đó là thứ không chỉ mang đến cho bạn một cái nhìn lớn hơn, đầy đủ hơn về công nghệ, ứng dụng của tương lai mà còn đem đến tiềm năng ứng dụng thực sự đáng kinh ngạc Khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính

IoT dự kiến sẽ tích hợp các công nghệ mới như: machine-to-machine, điện toán đám mây, bảo vệ sự an ninh và riêng tư, …

Hình 1: Các thành phần cơ bản của hệ thống Internet of Things

2.2 Các đặc tính cơ bản của một hệ thống IoT

Tính kết nối liên thông: là khả năng các thiết bị đều có thể kết nối được với

nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể

Tính không đồng nhất: Các thiết bị trong mạng lưới IoT sở hữu phần cứng cũng

như network khác nhau nên không đồng nhất Nhờ vào sự liên kết của các network

mà các thiết bị giữa các network có thể tương tác với nhau

Thay đổi linh hoạt: Trạng thái của các loại máy móc, thiết bị điện tử có thể tự

động thay đổi ví dụ như ngủ, thức dậy, kết nối hoặc bị ngắt, vị trí thiết bị thay đổi, tốc độ thay đổi…Hơn nữa, số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi

Quy mô lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và giao tiếp

với nhau Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy tính kết nối Internet hiện nay Số lượng các thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với được truyền bởi con người

Đáp ứng các dịch vụ liên quan đến “Things”: Hệ thống IoT có khả năng cung

cấp các dịch vụ liên quan đến “Things”, chẳng hạn như bảo vệ sự riêng tư và nhất quán giữ Physical Things và Virtual Things Để cung cấp được dịch vụ này thì cả công nghệ phần cứng và công nghệ thông tin (phần mềm) sẽ phải thay đổi

2.3 Các yêu cầu của Internet of Things(IoT)

Có kết nối dựa trên sự nhận diện: Điều này có nghĩa là “Things” phải có địa

chỉ ID riêng biệt Hệ thống IoT kết nối được thiết lập dựa trên định danh ID của các

“Things” nhờ vào sự hỗ trợ các kết nối giữa các “Things”

Hình 2: Các yêu cầu của Internet of Things(IoT )

Khả năng quản lý: Ứng dụng IoT thường làm việc tự động mà không cần con

người tham gia Vì vậy hệ thống IoT cần phải hỗ trợ tính năng quản lý các “Things” Tuy nhiên toàn bộ quá trình hoạt động của họ nên được quản lý bởi một bên thứ ba

Khả năng bảo mật: Trong hệ thống IoT, rất nhiều “Things” sẽ được kết nối với

nhau Chính điều này làm tăng nguy cơ bị rò rỉ thông tin

Dịch vụ thỏa thuận: Dịch vụ thỏa thuận được cung cấp bằng cách thu thập, giao

tiếp và xử lý tự động các dữ liệu giữa các “Things” dựa trên các quy tắc được thiết lập bởi người vận hành hoặc được tùy chỉnh bởi người dùng

Khả năng cộng tác: Hệ thống IoT có khả năng tương tác qua lại giữa các mạng

và Things

Khả năng tự quản của mạng: Khả năng tự quản của mạng bao gồm tự cấu hình,

tự quản lý, tự khắc phục lỗi sai, tự tối ưu hóa, … Điều này là vô cùng quan trọng để mạng có thể thích ứng với các lĩnh vực và nhiều loại thiết bị khác nhau…

Các khả năng dựa vào vị trí: Các thông tin liên lạc hoặc các dịch vụ liên quan

đến một cái gì đó sẽ phụ thuộc nhiều vào thông tin vị trí của các thiết và người sử

dụng Hệ thống IoT có thể biết được và theo dõi vị trí một cách tự động Các dịch vụ dựa trên vị trí có thể bị hạn chế bởi luật pháp hay các quy định và chúng phải tuân thủ các yêu cầu an ninh

Bảo vệ tính riêng tư: Tất cả các “Things” đều có chủ sở hữu Dữ liệu thu thập

từ các “Things” có thể chứa những thông tin của cá nhân liên quan đến người sử dụng chúng Các hệ thống IoT cần bảo vệ sự riêng tư trong quá trình truyền dữ liệu, lưu trữ, khai thác và xử lý

Plug and play: Hệ thống IoT bắt buộc các “Things” phải được plug – and – play

một cách dễ dàng và thuận tiện Điều này giúp cho việc sử dụng lần đầu được dễ dàng hơn

2.4 Kiến trúc của hệ thống IoT

Kiến trúc Internet of Thing: Sự phát triển của IoT không phải là sự phát triển của một công nghệ riêng lẻ nào mà là sự tổng hợp, thúc đẩy cải tiến không ngừng của hàng loạt các lĩnh vực công nghệ nền tảng khác nhau, trong đó gồm 4 lĩnh vực công nghệ chính luôn gắn liền với sự phát triển xu thế IoT bao gồm: phần cứng, truyền thông kết nối, phần mềm và ứng dụng

Hình 3: Bốn lĩnh vực công nghệ chính gắn với IoT

Kiến trúc IoT có thể chia thành 3 lớp, 4 lớp hoặc thậm chí là 5 lớp tùy theo tính

chi tiết của kiến trúc, nhưng nhìn chung mô hình 4 lớp phổ biến và được ứng dụng nhiều nhất gồm các lớp sau: Lớp ứng dụng (Application Layer); Lớp hỗ trợ dịch vụ

và hỗ trợ ứng dụng (Service support and application support Layer); Lớp mạng

(Network Layer); Lớp thiết bị (Device Layer)

a Lớp ứng dụng (Application Layer)

Lớp này tương tác trực tiếp với người dùng để cung cấp một chức năng hay một dịch vụ cụ thể thể của một hệ thống IoT Nó có khả năng cung cấp các dịch vụ thông minh chất lượng cao để đáp ứng nhu cầu của khách hàng

b Lớp hỗ trợ dịch vụ và hỗ trợ ứng dụng (Service support and application support Layer)

Bao gồm các dịch vụ hỗ trợ chung cũng như các khả năng hỗ trợ dành riêng cho ứng dụng

- Nhóm dịch vụ chung: Như tên cho thấy, các dịch vụ hỗ trợ chung là các khả

năng phổ biến có thể áp dụng cho nhiều ứng dụng Ví dụ như xử lý dữ liệu

hoặc lưu trữ dữ liệu

- Nhóm dịch vụ cụ thể, riêng biệt: Những ứng dụng IoT khác nhau sẽ có nhóm

dịch vụ hỗ trợ khác nhau và đặc thù Phục vụ các yêu cầu của một ứng dụng

cụ thể

c Lớp mạng (Network Layer)

- Khả năng kết nối mạng(Networking): Chúng bao gồm các chức năng kiểm soát truy cập, định tuyến, quản lý di động, phân bổ tài nguyên, xác thực, ủy quyền và

kế toán …

- Khả năng vận chuyển(Transporting) bao gồm các chức năng vận chuyển dữ liệu ứng dụng IoT cũng như hướng dẫn điều khiển và quản lý

- Lớp mạng của IoT sẽ cho phép kết nối toàn cầu Chúng sử dụng các giao thức mạng khác nhau để kết nối các thiết bị thông minh với mạng và chúng tôi sẽ trình bày những giao thức nổi bật nhất trong các phần sau

d Lớp thiết bị (Device Layer)

Lớp thiết bị chính là các phần cứng vật lý trong hệ thống IoT Lớp này có thể chia làm 2 loại:

- Thiết bị thông thường: Thiết bị này sẽ liên lạc, tương tác trực tiếp với network mà

không cần phải sử dụng gateway Các thiết bị này có khả năng thu thập và tải lên thông tin trực tiếp và tiếp nhận các thông tin từ network Các thiết bị này cũng có thể tương tác gián tiếp với network thông qua gateway Trong thực tế, các thiết bị bao gồm các cảm biến, các phần cứng điều khiển

- Thiết bị Gateway: Gateway là cổng liên lạc giữa thiết bị(device) và mạng(network)

Gateway hỗ trợ 2 chức năng sau:

+ Nhiều chuẩn giao tiếp: Vì các Things có đa số loại khác nhau nên sẽ có nhiều kiểu

kết nối khác nhau, nên Gateway phải hỗ trợ đa dạng từ có dây đến không dây Ví dụ như ZigBee, Bluetooth, Wifi… Tại tầng mạng, Gateway có thể giao tiếp thông qua mạng 2G, 3G, 4G Ethernet hay DSL, …

+ Chuyển đổi giao thức: Chức năng này cần thiết sử dụng trong hai tình huống là:

(1) khi truyền thông giữa các Device và Network, device và network đều dùng giao thức khác nhau (2) Khi truyền thông ở lớp Device, nhiều device lại sử dụng các giao thức khác nhau

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ ĐÁNH GIÁ VÀ TÍNH ỨNG DỤNG CỦA IOT

3.1 Ưu điểm của hệ thống IoT

Hệ thống Internet vạn vật hiện được sử dụng vô cùng rộng rãi, nó có những

ưu điểm như:

Giao tiếp: IoT khuyến khích giao tiếp giữa các thiết bị, còn được gọi là giao tiếp

Machine-to-Machine (M2M) Các thiết bị vật lý có thể duy trì kết nối do đó sẽ đem

đến việc kết hợp nhuần nhuyễn giữa chúng giúp đạt chất lượng sản phẩm cao hơn

Tự động hóa giúp giám sát thiết bị tốt hơn: IoT cho phép bạn tự động hóa và kiểm

soát các nhiệm vụ được thực hiện hàng ngày Không cần đến sự can thiệp của con người, các máy móc có thể giao tiếp với nhau giúp gia tăng tốc độ cũng như chất lượng sản phẩm Giao tiếp giữa máy với máy giúp duy trì tính minh bạch trong các quy trình Nó cũng tạo ra sự đồng đều trong các nhiệm vụ hay công việc

Thông tin: Rõ ràng việc có nhiều thông tin giúp đưa ra quyết định tốt hơn Các cuộc

cách mạng công nghiệp đã phát triển nhiều hơn về đầu mối cũng như nguồn thông tin

về mọi thứ Doanh nghiệp bạn chỉ cần chuẩn bị những thứ cần thiết và tra cứu thông tin để có thể ra quyết định ngay tập tức

Màn hình, máy quan sát: Nó biết chính xác số lượng vật tư hoặc chất lượng không

khí, sản phẩm trong nhà bạn và cũng có thể cung cấp thêm thông tin mà trước đây bạn gặp khó khăn khi thu thập Hơn nữa, giám sát hết hạn sản phẩm có thể sẽ cải thiện sự an toàn vệ sinh thực phẩm một cách tốt nhất

Tiết kiệm thời gian: Sự tương tác giữa máy với máy mang lại hiệu quả tốt hơn và

cho kết quả chính xác Thay vì phí thời gian để lặp lại các nhiệm vụ tương tự mỗi ngày, nó cho phép mọi người thực hiện các công việc sáng tạo khác

Tiết kiệm tiền bạc: IoT rất hữu ích khi giúp cho thói quen hàng ngày của mọi người

bằng cách làm cho các thiết bị giao tiếp với nhau hiệu quả Chúng sẽ cảnh báo kịp thời những vấn đề, sự cố phát sinh Vì vậy, bạn có thể tiết kiệm năng lượng cũng như chi phí sửa chữa, duy trì nhiều sản phẩm

3.2 Nhược điểm của hệ thống IoT

Bên cạnh những ưu điểm, hệ thống IoT còn tồn tại một số nhược điểm như:

Chưa có nền tảng và ngôn ngữ chung: Một hệ thống IoT sẽ được kết nối với nhau

qua các Things Tuy nhiên với mỗi thiết bị IoT thì lại được lập trình trên một nền tảng cũng như một ngôn ngữ riêng Điều này gây ra khó khăn lớn trong vấn đề giao tiếp qua lại giữa các thiết bị Và một giải pháp để hạn chế được nhược điểm này là dùng đến giao thức Tuy nhiên các giao thức lại chưa hoàn toàn đồng nhất với nhau Chính

vì vậy thường dẫn đến tình trạng thông tin không được xử lý hoặc xử lý sai lệch

Chi phí cao: Khi sản xuất các thiết bị IoT thì chi phí cho các khâu thiết kế, độ bền,

bản quyền dữ liệu khá cao Điều đó dẫn đến số đông người dùng không thể tiếp cận được với các sản phẩm IoT Bên cạnh đó một sản phẩm IoT thường đi chung với nhau

cả phần cứng và phần mềm Các thiết bị thường được đồng bộ với nhau nên khi thay chi tiết lẻ sẽ rất phức tạp

Hàng rào Subnetwork: Các thiết bị IoT chủ yếu kết nối tới máy chủ trung tâm quản

lý Tuy nhiên mỗi hệ thống IoT lại có một subnetwork riêng Và các thiết bị giữa các subnetwork khác nhau thì chưa hoàn toàn có thể giao tiếp với nhau

Tác động đến xã hội: Phần lớn các linh kiện của thiết bị IoT sử dụng các kim loại

nặng Bên cạnh đó còn có kim loại đất hiếm và các hóa chất có độc tố cao

IoT và quản lý dữ liệu: Với một lượng thiết bị lớn kết nối, dữ liệu rất khổng lồ thì

việc quản lý dữ liệu là rất quan trọng Việc bảo mật dữ liệu được đặt lên hàng đầu tránh lộ các thông tin liên quan đến người dùng, các dữ liệu cá nhân

Độ phức tạp: IoT là một mạng lưới đa dạng và phức tạp, vì vậy với bất kỳ lỗi hoặc

lỗi trong phần mềm hoặc phần cứng có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng Khi mất điện cũng có thể gây ra nhiều bất tiện trong các hệ thống và thao tác của nhiều thiết

bị vì chúng được kết nối với nhau

3.3 Ý nghĩa và tính ứng dụng của hệ thống IoT

Hệ thống IoT hiện nay ngày càng phát triển nhanh chóng mạnh mẽ, đáp ứng các nhu cầu sử dụng khác nhau của con người và dần đóng vai trò vô cùng quan trọng,

có ý nghĩa và tính ứng dụng to lớn cho con người Nhờ có IoT, môi trường sống cũng như chất lượng cuộc sống của con người đã trở nên dễ dàng và tiện lợi hơn như:

Nhà thông minh (Smart home): Smart home cũng là một trong các dự định trong

tương lai của hệ thống IoT Tuy nhiên hiện nay các thiết bị Smart home đang có giá thành khá cao Bởi giá thành của nó còn cao hơn mức thu nhập bình quân của chúng

ta Việc thay thế cũng như tối ưu các linh kiện hiếm và đắt đang là một mục tiêu lớn

của các công ty công nghệ IoT để phủ nhanh IoT ra khắp cả thị trường

Thành phố thông minh (Smart City): Mô hình thành phố được áp dụng hệ thống

công nghệ thông tin – điện tử viễn thông – tự động hóa nhằm nâng cao được năng lực quản lý chính quyền Công nghệ IoT có thể giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí, đồng thời làm cho cuộc sống hàng ngày trở nên thoải mái và thuận tiện hơn cho những người sống trong môi trường đô thị

Thiết bị đeo thông minh (Smart Wearable): IoT đã được phát triển, có ứng dụng

tuyệt vời vào các thiết bị đeo, nó giúp tiết kiệm năng lượng cao hoặc công suất cực thấp và có kích thước nhỏ gọn

Ngành chế tạo: Các nhà sản xuất có thể đạt được lợi thế cạnh tranh bằng cách sử

dụng giám sát dây chuyền sản xuất để cho phép bảo trì chủ động trên thiết bị khi cảm biến Với sự trợ giúp của cảnh báo cảm biến, các nhà sản xuất có thể nhanh chóng kiểm tra độ chính xác của thiết bị hoặc loại bỏ nó khỏi sản xuất cho đến khi nó được