Оптимизация использования ресурсов в средах Интернета вещей: вызовы и перспективы

Введение

В данном разделе рассматриваются разнообразные параметры использования ресурсов в средах Интернета вещей (IoT), которые следует учитывать при разработке методов оптимизации использования ресурсов IoT [1, с. 677-686; 2, с. 254-266; 3, с. 2466-2475]. Эти параметры формируются под влиянием множества факторов, таких как число подключенных устройств, виды используемых сенсоров, объемы передаваемой информации и требования к энергопотреблению. На рисунке представлена схематическая диаграмма, иллюстрирующая взаимосвязь между основными характеристиками данных IoT и параметрами использования ресурсов. Эти ключевые параметры включают:

• энергопотребление;
• пропускная способность сети;
• вычислительная мощность;
• память;
• безопасность данных;
• скорость обработки информации;
• масштабируемость.

Адекватное управление этими параметрами является критически важным для оптимизации работы систем IoT и обеспечения их эффективной и стабильной работы.

Рис. Сопоставление между параметрами использования ресурсов и функциями данных IoT

Пропускная способность (или пропускная скорость) в сетях Интернета вещей (IoT) играет ключевую роль в эффективной передаче данных между устройствами IoT и центральными системами. Это определяет объем данных, который может быть передан через сеть за определенный период времени.

Пропускная способность в IoT зависит от нескольких факторов:

• Число подключенных устройств: чем больше устройств подключено к сети IoT, тем больше требуется пропускная способность для передачи данных между ними.
• Типы передаваемых данных: различные типы данных требуют разной пропускной способности. Например, потоковое видео требует большей пропускной способности, чем текстовая информация.
• Требования к задержке: если требуется передача данных в реальном времени, то требуется достаточная пропускная способность для обеспечения минимальной задержки.
• Технологии связи: используемые технологии связи, такие как Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, LoRa, 5G и другие, имеют различную пропускную способность и могут ограничивать скорость передачи данных.
• Резервирование пропускной способности для критически важных данных: важно обеспечить приоритетную передачу данных, необходимых для обеспечения безопасности и работоспособности системы IoT.

Управление пропускной способностью в IoT требует тщательного планирования и оптимизации, чтобы обеспечить эффективную передачу данных в соответствии с требованиями приложения.

Задержка (или латентность) в сетях Интернета вещей (IoT) является одним из критических параметров качества обслуживания, который может существенно влиять на производительность и функциональность системы IoT. Задержка определяет время, необходимое для передачи данных от отправителя к получателю.

Вот некоторые факторы, влияющие на задержку в IoT:

• Тип сетевой технологии: разные технологии имеют различные уровни задержки. Например, беспроводные технологии, такие как Bluetooth или Wi-Fi, обычно имеют ниже задержку по сравнению с мобильными сетями.
• Расстояние между устройствами: увеличение расстояния между устройствами может увеличить задержку из-за времени, необходимого для прохождения сигнала через сеть.
• Трафик в сети: перегруженные сети могут вызвать увеличение задержки из-за ожидания передачи данных.

Снижение задержки в IoT является ключевым для обеспечения высокой отзывчивости и эффективности системы. Оптимизация сетевой инфраструктуры, использование оптимизированных протоколов и алгоритмов маршрутизации, а также правильное управление трафиком помогут минимизировать задержку и улучшить производительность системы IoT [3, с. 2466-2475].

Надежность в сетях Интернета вещей (IoT) является одним из ключевых параметров, определяющих успешность и эффективность системы. Надежность означает способность системы сохранять свою работоспособность и обеспечивать качественное выполнение функций в различных условиях эксплуатации.

Вот некоторые аспекты, которые влияют на надежность в IoT:

• Стабильность сетевого соединения: Непрерывное и стабильное сетевое соединение является основой для надежной работы устройств IoT. Обрывы соединения или нестабильность могут привести к потере данных или неправильной работе системы.
• Качество оборудования: Высококачественное и надежное оборудование снижает вероятность отказов и сбоев, обеспечивая стабильную работу системы.
• Управление энергопитанием: Эффективное управление энергопотреблением устройств позволяет продлить их автономную работу и снизить риск сбоев из-за разряда батарей.
• Безопасность: Надежные механизмы безопасности защищают систему от внешних угроз, таких как кибератаки, вредоносное программное обеспечение и несанкционированный доступ.

Для обеспечения надежной работы систем IoT необходимо применять комплексный подход, включающий в себя правильный выбор оборудования, эффективное управление ресурсами, строгие меры безопасности и систематическое тестирование. Только так можно создать систему, способную работать стабильно и надежно в различных условиях эксплуатации [4, с. 39-50].

Энергопотребление и управление энергией среда IoT состоит из множества сетевых узлов и интеллектуальных устройств, подключенных к крупным центрам обработки данных. Эти устройства и дата-центры потребляют огромное количество энергии для своего надлежащего функционирования. Потребление энергии должно быть сведено к минимуму, чтобы снизить затраты. В связи с этим обработка таких огромных и быстрых данных требует больше энергии. Обработка больших объемов данных в реальном времени требует дополнительных ресурсов, что увеличивает энергопотребление. Это особенно верно для обработки временных потоков данных без агрегации и анализа пространственных данных для конкретных местоположений без предварительной категоризации. Такая обработка затратна по энергии из-за объема, скорости и сложности данных [4, с. 39-50].

Доступность в сетях Интернета вещей (IoT) относится к способности системы быть доступной для пользователей и поддерживать непрерывную работу без сбоев или простоев. Этот аспект играет критически важную роль в обеспечении эффективной работы устройств и систем IoT. Вот некоторые ключевые аспекты доступности в IoT:

• Надежность сетевого соединения: непрерывное и стабильное сетевое соединение является основой для обеспечения доступности устройств IoT. Прерывания или недоступность соединения могут привести к сбоям в работе системы.
• Управление энергопитанием: эффективное управление энергопитанием помогает продлить автономную работу устройств и предотвратить их недоступность из-за разряда батарей или других проблем с питанием.
• Масштабируемость: системы, которые могут масштабироваться в ответ на рост числа подключенных устройств или объема данных, обеспечивают стабильную работу и предотвращают перегрузки, которые могут привести к снижению доступности.
• Резервное копирование и восстановление: регулярное создание резервных копий данных и возможность быстрого восстановления после сбоев помогают минимизировать перерывы в работе системы и обеспечивают ее непрерывную доступность.
• Гибкость и адаптивность: способность системы адаптироваться к изменяющимся условиям и требованиям обеспечивает ее непрерывную доступность даже в динамично меняющейся среде.

Заключение

Таким образом, чтобы поддерживать эти различные параметры использования ресурсов в отношении вышеупомянутых функций данных IoT, каждая функция данных IoT будет обрабатываться по-разному. Например, экономия энергии для массивных данных будет полностью отличаться от экономии энергии для пространственных и временных данных.