ПНСТ 520-2021 (ИСО/МЭК 29182-3:2014). Предварительный национальный стандарт Российской Федерации. Информационные технологии. Сети сенсорные. Часть 3. Типовая архитектура

(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 28.01.2021 № 9-пнст)

от 28 января 2021 г. № 9-пнст

ОКС 35.110

с 1 июля 2021 года

1 ПОДГОТОВЛЕН Акционерным обществом «Всероссийский научно-исследовательский институт сертификации» (АО «ВНИИС») и Акционерным обществом «Российская венчурная компания» (АО «РВК») на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 4

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 28 января 2021 г. № 9-пнст

4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту ИСО/МЭК 29182-3:2014 «Информационные технологии. Сенсорные сети. Типовая архитектура сенсорных сетей (SNRA). Часть 3. Представления типовых архитектур» (ISO/IEC 29182-3:2014 «Information technology — Sensor networks: Sensor Network Reference Architecture (SNRA) — Part 3: Reference architecture views», MOD) путем включения структурных элементов, которые выделены в тексте курсивом. Внесение указанных технических отклонений направлено на учет потребностей национальной экономики Российской Федерации.

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5).

Сведения о соответствии ссылочных национальных стандартов международным стандартам, использованным в качестве ссылочных в примененном международном стандарте приведены в дополнительном приложении ДА

5 Некоторые элементы настоящего стандарта могут быть объектами патентных прав. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии не несет ответственности за установление подлинности каких-либо или всех таких патентных прав

Правила применения настоящего стандарта и проведения его мониторинга установлены в ГОСТ Р 1.16-2011 (разделы 5 и 6).

Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии собирает сведения о практическом применении настоящего стандарта. Данные сведения, а также замечания и предложения по содержанию стандарта можно направить не позднее чем за 4 мес до истечения срока его действия разработчику настоящего стандарта по адресу: 121205 Москва, Инновационный центр Сколково, улица Нобеля, д. 1, тел. +7 (495) 777-01-04, e-mail: info@tc194.ru и/или в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии по адресу: 123112 Москва, Пресненская набережная, д. 10, стр. 2.

В случае отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты» и будет размещена на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

Введение

Сенсорные сети имеют широкий диапазон областей применения. Однако на практике созданы и развернуты сенсорные сети для относительно небольшого числа областей применений. Частично это вызвано отсутствием экономического обоснования для определенных областей применения, частично — техническими трудностями создания нетривиальной сенсорной сети необходимой сложности. Основным сдерживающим фактором является то, что для проектирования сенсорной сети требуются мультидисциплинарные знания, в частности, о датчиках, каналах связи, сетях, обработки сигналов, электронике, вычислительной техники и информационной безопасности. В настоящее время сложность процесса проектирования не позволяет использовать архитектуру одной сенсорной сети для другой сенсорной сети. Практически каждый раз при проектировании сенсорной сети разработку необходимо начинать с нуля. Тем не менее, при более тщательном рассмотрении можно увидеть множество общих особенностей сенсорных сетей в различных областях применения. Эти общие особенности проявляются при выборе архитектуры сети и сущностей/функциональных блоков для использования в архитектуре.

• предоставление рекомендаций для проектирования и развертывания сенсорных сетей;
• оптимизация функциональной совместимости сенсорных сетей;
• создание автоматически конфигурируемых (plug-and-play) компонентов сенсорных сетей для упрощения добавления/удаления сенсорных узлов в существующую сенсорную сеть или из нее.

Серия ПНСТ «Информационные технологии. Сети сенсорные» может быть использована проектировщиками сенсорных сетей, разработчиками программного обеспечения, системными интеграторами и поставщиками услуг для удовлетворения требований клиентов, в том числе любых надлежащих требований к функциональной совместимости.

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает представления типовой архитектуры для сенсорных сетей (SNRA). Представления архитектуры определены с точки зрения бизнеса и операционной, системной и технической точек зрения и включают функциональные, логические и/или физические представления, где это применимо. Настоящий стандарт определяет высокоуровневые представления архитектуры, которые могут быть доработаны разработчиками систем и специалистами по внедрению конкретных приложений и услуг.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р ИСО/МЭК 29182-1-2018 Информационные технологии. Эталонная архитектура для сенсорных сетей (SNRA). Часть 1. Общий обзор и требования

ПНСТ 519-2021 (ИСО/МЭК 29182-2:2013) Информационные технологии. Сети сенсорные. Часть 2. Термины и определения

Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ПНСТ 519-2021.

4 Сокращения

В настоящем стандарте применены следующие сокращения:

1D — одномерный (One-dimensional);

2D — двухмерный (Two-dimensional);

3D — трехмерный (Three-dimensional);

AL — прикладной уровень (Application Layer);

BFL — уровень базовых функций (Basic Function Layer);

CIP — совместная обработка информации (Collaborative Information Processing);

CLM — межуровневое управление (Cross Layer Management);

GHL — уровень аппаратного обеспечения шлюза (Gateway Hardware Layer);

GPS — глобальная система определения местоположения (Global Positioning System);

NOAA — Национальное управление океанических и атмосферных исследований (National Oceanic and Atmospheric Administration);

OGC — Открытый геопространственный консорциум (Open Geospatial Consortium);

PV — физическое представление (Physical View);

RA — типовая архитектура (Reference Architecture);

SL — уровень служб (Service Layer);

SNHL — уровень аппаратного обеспечения сенсорного узла (Sensor Node Hardware Layer);

SNRA — типовая архитектура для сенсорных сетей (Sensor Network Reference Architecture);

SOA — сервис-ориентированная архитектура (Service-Oriented Architecture);

SV — системное представление (System View);

TV — техническое представление (Technical View);

ОС — операционная система (Operating System, OS);

ЦПУ — центральное процессорное устройство (Computer Processing Unit, CPU).

5 Назначение типовой архитектуры для сенсорных сетей

Настоящий стандарт определяет представления типовой архитектуры, которые соответствуют требованиям ГОСТ Р ИСО/МЭК 29182-1.

Типовая архитектура (RA) — это обобщенная архитектура нескольких конечных систем, которые совместно используют один или несколько общих доменов и устанавливают требования более низким уровням и соответствуют требованиям более высоких уровней. Определенная прикладная архитектура может содержать некоторую часть, значительную часть или всю типовую архитектуру целиком. Разработчик может повторно использовать сущности и элементы типовой архитектуры, которые соответствуют прикладной архитектуре, и игнорировать остальные сущности и элементы типовой архитектуры. RA предоставляет стандарты и принципы построения определенной архитектуры.

RA предоставляет согласованную основу для реализации решений таким образом, что:

а) реализация основана на последовательной декомпозиции и шаблоне проектирования;

б) снижается стоимость реализации за счет повторного использования служб, продуктов, определений данных и т.д.;

в) сокращается график реализации, начинающийся с адаптации базовой архитектуры для конкретной реализации;

г) уменьшаются риски путем:

• включения необходимых глобальных возможностей;
• использования выработанных рекомендаций и соответствующего опыта.

Типовая архитектура для сенсорных сетей (SNRA) определяет общую структуру для обеспечения функциональной совместимости, а с точки зрения деталей структуры показывает, как будет работать архитектура и ее сущности путем разработки стандартов интерфейса. SNRA предоставляет правила и рекомендации для разработки и представления описаний архитектуры.

Настоящий стандарт не только определяет SNRA с нескольких точек зрения (бизнес, информационной и технической), но и обеспечивает несколько представлений технической архитектуры (физического, системного, операционного и т.д.) для описания сенсорной сети. Объединение различных точек зрения на архитектуру и представлений архитектуры формирует исчерпывающее описание архитектуры сенсорной сети. Точки зрения на типовую архитектуру и представления типовой архитектуры:

• указывают, как сенсорные сети работают в гомогенной или гетерогенной системе;
• указывают системы оборудования и информационные потоки в сенсорных сетях;
• определяют технические правила и рекомендации для обеспечения взаимодействия систем.

Как правило, разработка архитектуры начинается с определения потребностей, которые могут быть удовлетворены сенсорной(ыми) сетью(ями) (и далее преобразуются в набор требований), и определения запросов к данным/информации, которые могут быть предоставлены сенсорной(ыми) сетью(ями). Разработчик должен быть осведомлен о доступных технологиях, а также о перспективах развития будущих технологий. Потребностями и запросами могут быть как компьютер и набор сенсорных узлов (следовательно, сенсорная сеть) в автомобиле для мониторинга и управления подсистемами, так и большая система из систем, таких как сенсорные сети Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) для мониторинга погоды во всем мире с целью прогнозирования погодных условий и предоставления предупреждений в случае необходимости. Каждый разработчик предъявляет определенные требования к функциональным возможностям сенсорного узла или сенсорной сети для целевых приложений и услуг. Разработчику необходимо принять ряд решений при разработке архитектуры сенсорной сети, в том числе о том, будет ли сенсорная сеть выполнять обработку данных для предоставления пользователю высокоуровневой информации, или сенсорная сеть сделает необработанные данные доступными для пользователя, который будет использовать собственные приложения для их обработки. Типовая архитектура для сенсорных сетей предоставляет разработчику различные варианты и концепции для разработки, и, что более важно, SNRA предоставляет разработчику основу архитектуры.

SNRA поддерживает разработку совместимых и взаимодействующих архитектур. В типовой архитектуре определены различные точки зрения на SNRA и представления технической архитектуры. Каждое представление состоит из наборов элементов данных архитектуры, которые изображаются с помощью графических, табличных или текстовых материалов. SNRA также однозначно определяет отношения между представлениями архитектуры и их элементами данных.

6 Общие сведения о типовой архитектуре для сенсорных сетей

Сенсорная сеть — это система распределенных сенсорных узлов, взаимодействующих друг с другом и с другими сенсорными сетями, которые проводят мониторинг внешних по отношению к сенсорной сети окружающих сред, обеспечивающая сбор, обработку, передачу и предоставление информации, извлеченной из физического мира.

SNRA состоит из набора доменов, которые проводят сбор необработанных данных из физической окружающей среды каждого домена, переработку необработанных данных в информацию и доставку информации пользователю или пользователям. Пользователь может быть человеком или машиной/программным обеспечением (например, автоматизированной системой управления и контроля). Если сенсорная сеть имеет сенсорный узел или сенсорные узлы, оснащенные исполнительным(и) устройством(-ами), от пользователя к исполнительному(-ым) устройству(-ам) может передаваться информация для команды исполнения действия.

Каждая сенсорная сеть включает такие сущности как сенсорные узлы, исполнительные устройства, сеть, обработка (на локальном сенсорном узле, шлюзе и/или центре слияния данных), приложения, используемые сенсорными узлами, приложения, используемые пользователями <*>, и пользователь. На рисунке 1 показано высокоуровневое физическое представление нескольких доменов сенсорных сетей, хотя на рисунке представлены не все возможные домены. Большинство доменов сенсорных сетей разнородны, поскольку каждая сенсорная сеть ориентирована на свою конкретную область применения. На рисунке 1 подчеркивается важность функциональной совместимости между разнородными сетями, датчиками и различными содержимым и форматами данных.

---

<*> [Применимо, когда пользователь является индивидом.] Когда персональная информация подключена к сетям, то любыми средствами защиты должно быть реализовано требование принадлежности персональной информации индивидууму. [Межведомственный отчет НИСТ (National Institute of Standards and Technology, NIST) NISTIR 7628 «Руководство по кибербезопасности интеллектуальных сетей. Часть 2: Конфиденциальность и интеллектуальные сети» и ОЭСР (Organization for Economic Cooperation and Development, OECD) «Принципы конфиденциальности»].

Рисунок 1 — Высокоуровневое физическое представление доменов сенсорных сетей

Рисунок 1 также показывает, что измерение датчиками может происходить во всех географических пространствах (например, в космосе, воздухе, на море, на земле и подповерхностном слое (под землей и под поверхностью океана/озера/реки)). В каждом географическом пространстве существует много функциональных возможностей, которые могут предоставить сенсорные сети, что показано на рисунке 1. В космосе сенсорная сеть, образованная сенсорными узлами в группе спутников, предоставляет данные и информацию о погоде на Земле, загрязнении воздуха, движениях океанических течений и т.д. В воздухе управление воздушным движением не может проводиться без использования сенсорных сетей (например, радаров). В море морской транспорт использует GPS для навигации по океанам. Сенсорные сети эффективно используются для отслеживания морских контейнеров, маркировки и защиты содержимого контейнеров. На земле используется множество различных сенсорных сетей для различных областей применения (например, интеллектуальной магистрали, транспортировки, управления логистическими цепочками, медицины, военных сил, промышленности, финансовой деятельности, служб быстрого реагирования, правительств, для домашнего применения, мониторинга окружающей среды, внешней охраны и предотвращения вторжений, мониторинга здоровья/состояния пожилых людей или пациентов и т.д.).

На рисунке 1 показано, что существует множество разнородных сенсорных сетей в различных географических пространствах, и в каждом пространстве имеется большое количество разнородных приложений и служб сенсорных сетей, в которых присутствует разнообразие типов датчиков, сетей с поддержкой сенсорных сетей и форматов данных, используемых датчиками и сетями связи.

Рисунок 1 может быть представлен как типовая архитектура для совместимой сенсорной сети, включающая нескольких горизонтально совместимых подсистем или модулей и интерфейсы между ними. Также должна быть обеспечена вертикальная функциональная совместимость для бесперебойной передачи информации внутри иерархической структуры сенсорных сетей. Как горизонтальная, так и вертикальная функциональные совместимости могут быть обеспечены путем стандартного процесса разработки с внедрением открытой архитектуры, а также путем стандартизации интерфейсов между структурными единицами (как подсистемами, так и сенсорными сетями), многоуровневыми структурами сенсорных сетей и приложениями сенсорных сетей. Для удовлетворения требований к функциональной совместимости в типовой архитектуре при описании систем сенсорных сетей должны быть использованы существующие стандарты по функциональной совместимости. Также в типовой архитектуре для сенсорных сетей может быть определена необходимость разработки новых стандартов для соответствия новым технологиям, приложениям и службам сенсорных сетей.

На рисунке 2 представлена типовая архитектура для сенсорных сетей через определение основных сущностей сенсорных сетей и интерфейсов между основными сущностями. Подробное описание интерфейсов (Интерфейс 1, Интерфейс 2, ..., Интерфейс 5) представлено в [1].

Рисунок 2 — Общая схема интерфейсов сенсорной сети

Основные сущности включают:

а) сенсорные узлы. Сенсорный узел имеет:

• уровень аппаратного обеспечения сенсорного узла (SNHL);
• уровень базовых функций (BFL);
• уровень служб (SL);
• прикладной уровень (AL);

б) шлюз. Структура уровней шлюза сопоставима со структурой уровней сенсорного узла:

• прикладной уровень (AL);
• межуровневое управление (CLM);

в) внешняя окружающая среда, связанная с поставщиками услуг и пользователями через сеть доступа и магистральную сеть.

Структура уровней поставщика услуг сопоставима со структурой уровней шлюза.

Интерфейсы между основными сущностями, обозначенные серыми областями на рисунке 2, включают:

а) в сенсорном узле:

• интерфейс между уровнем аппаратного обеспечения сенсорного узла и уровнем базовых функций (SNHL/BFL);
• интерфейс между уровнем базовых функций и уровнем служб (BFL/SL);
• интерфейс между уровнем служб и прикладным уровнем (SL/AL);
• интерфейсы между межуровневым управлением и прикладным уровнем, уровнем служб и уровнем базовых функций (CLM/AL-SL-BFL);

б) интерфейс между сенсорными узлами в сенсорной сети;

в) интерфейс между узлом шлюза сенсорной сети и другими сетями (на рисунке 3 ГОСТ Р ИСО/МЭК 29182-1-2018 и на рисунке 9 настоящего стандарта «магистральная сеть и сеть доступа» обозначены как «другие сети»).

Интерфейсы между уровнем аппаратного обеспечения сенсорного узла и уровнем базовых функций (SNHL/BFL) реализуются функциями SNHL и BFL.

На рисунке 3 представлена физическая типовая архитектура сенсорного узла, которая может быть использована на уровне аппаратного обеспечения сенсорного узла, показанного на рисунке 2. Физическая типовая архитектура сенсорного узла включает:

• центральное процессорное устройство (ЦПУ): ЦПУ, встроенное в сенсорный узел, позволяет сенсорному узлу стать программируемым. ЦПУ содержит операционную систему (ОС), прикладные алгоритмы и другое программное обеспечение. ЦПУ может быть расположено вне сенсорного узла, в таком случае сенсорный узел передает измерения в ЦПУ для обработки;
• хранилище: устройство хранения — это блок памяти, который может быть встроен в сенсорный узел или расположен вне сенсорного узла. В блоке памяти хранятся различные данные о событиях, происходящих на сенсорном узле, например, измерения, обработанные данные (если на сенсорном узле выполняется обработка) и другие данные событий;
• датчик: датчик или чувствительный элемент — это устройство измерения внешней среды, которое преобразует необработанные данные в поток измеряемого электрического сигнала. В зависимости от типа чувствительного элемента, датчик может проводить акустические, сейсмические или вибрационные, магнитные измерения, измерения различных световых спектров (например, видимого, инфракрасного и т.д.), электромагнитные измерения (например, радиочастот), измерения температуры, газа, давления, движения, загрязняющих веществ, объектов и т.д. В зависимости от сложности и реализованной технологии датчик может измерять одномерные, двухмерные и трехмерные сигналы совместно с переключением по времени;
• блок связи: блок связи является неотъемлемым компонентом сенсорного узла. Блок связи обеспечивает проводной или беспроводной канал передачи данных для передачи данных, собранных датчиком или чувствительным элементом, и любых обработанных данных, доступных в режиме реального времени или в условном масштабе времени. В случае передачи данных в условном масштабе времени требуется устройство хранения;
• исполнительное(ые) устройство(а): исполнительное устройство может находиться в сенсорном узле или вне сенсорного узла. Исполнительные устройства представляют собой средства взаимодействия с физической окружающей средой, например, автоматический контроль температуры. Исполнительные устройства могут получать информацию (например, команду) непосредственно от датчика после обработки данных по проводному или беспроводному каналу передачи данных;
• источник питания: для сенсорного узла требуется источник питания. В случае проводного соединения сенсорного узла обычно не требуется встроенный источник питания, например, аккумулятор. В случае беспроводного соединения сенсорного узла требуется аккумулятор. Управление питанием сенсорного узла является критическим вопросом, и в ЦПУ может быть встроено программное обеспечение управления питанием, в особенности для удаленно расположенных сенсорных узлов с беспроводным соединением.

Рисунок 3 — Физическая типовая архитектура сенсорного узла

Источник питания сенсорного узла является критическим элементом для сенсорных узлов и, следовательно, для всей сенсорной сети. Критичность повышается для беспроводной географически распределенной сенсорной сети. Источником питания обычно являются первичные батареи (неперезаряжаемые), однако в стадии исследования и разработки находится идея самогенерирующих источников питания, использующих природные явления (например, солнечный свет (солнечная энергия), вибрацию, ветер, методы аккумулирования энергии).

Источник питания в значительной степени зависит от типа датчика и функций сенсорного узла. Большое значение для функциональности сенсорного узла имеет управление питанием удаленных датчиков. Удаленность сенсорного узла определяет мощность источника питания и управление энергопотреблением. Необходимая частота связи между сенсорными узлами также определяет способ управления питанием.

Линии интерфейса внутри сенсорного узла на рисунке 3 не указаны. Это связано с тем, что реализация сенсорного узла в высокой степени зависит от требований области применения и ограничений его аппаратного обеспечения.

На рисунке 4 представлено функциональное представление типовой архитектуры для сенсорной сети, а именно набор функциональных сущностей, реализующих различные службы сенсорной сети. Данная функциональная архитектура для сенсорной сети включает много важных функций сенсорной сети, но на рисунке 4 представлены не все возможные функции. Представленная функциональная архитектура включает три домена:

• домен измерений: данный домен связывает датчики, шлюзы и другие сущности (например, устройства хранения) в сенсорной сети или сенсорных сетях. Домен измерений получает данные из сенсорной(ых) сети(ей) и передает в домен служб через домен сети по запросам пользователей. Домен измерений может иметь возможности обработки данных от датчиков (например, необработанных данных) в сенсорной сети через локальную и/или глобальную сеть;
• домен сети: данный домен обеспечивает передачу данных/информации между доменом измерений и доменом служб;
• домен служб: в данном домене находятся различные приложения, которые предоставляют запрашиваемые пользователями службы. Для функционирования требуемых приложений данный домен может поддерживать различные возможности обработки данных (например, данных измерений) и/или информации (например, данных обработки измерений) из домена измерений через домен сети.

На рисунке 4 представлены две группы в вертикальных прямоугольных рамках:

• группа данных, информации и связи: данная группа функций отвечает за обработку данных, генерацию информации и передачу данных и генерируемой информации между доменами и запрашивающими данные/информацию (например, пользователями);
• группа контроля и управления: данная группа функций отвечает за управление сущностями в каждом домене. Домен измерений и домен служб имеют схожие функции управления; однако различно то, чем управляют эти функции в каждом домене. Например, для домена измерений управляемыми устройствами обычно являются датчики. Для домена служб управляемыми устройствами обычно являются компьютерные активы. Для домена сети управляемыми устройствами обычно являются устройства связи.

В функциональной архитектуре сенсорной сети, показанной на рисунке 4, домен измерений передает данные/информацию в домен служб через локальные или глобальные сети. Как показано на рисунке 4, существует две основные группы, отвечающие за генерацию данных и информации: группа данных, информации и связи и группа контроля и управления. Группа данных, информации и связи обеспечивает такие функции, как приобретение данных, хранение данных, обработка данных (например, совместная обработка, агрегирование данных, извлечение признаков, слияние данных и т.д.), передача данных (например, протокол связи, функция поддержки связи и т.д.). Группа контроля и управления обеспечивает такие функции, как управление датчиками, управление службами, управление сетью, управление безопасностью. Как только данные/информация передаются в домен служб, данные/информация обрабатываются такими функциями, как извлечение данных, извлечение информации, слияние данных и другими соответствующими функциями, не показанными на рисунке. Кроме того, в домене служб данные/информация могут храниться, передаваться и предоставляться.

Домен измерений

В таблице 1 представлены функциональные сущности домена измерений, указанные на рисунке 4. Более подробное описание сущностей представлено в [2].

Таблица 1

Функциональная сущность	Описание
Приобретение данных	Обнаружение и сбор данных из окружающей среды для области применения
Хранение данных	Хранение данных датчиков, инструкций по контролю и данные управления
Обработка данных	Использование алгоритмов обработки данных/сигналов для извлечения требуемой или полезной информации из данных датчиков и метаданных. Алгоритмы извлечения информации включают в себя совместную обработку информации (например, слияние данных, извлечение признаков, агрегацию данных и представление данных)
Передача данных	Отправка и получение данных между сенсорными узлами и шлюзом сенсорной сети через стек протоколов связи и функции поддержки связи. Примерами передаваемых и получаемых данных являются температура, влажность, синхронизация времени и данные о местоположении
Управление устройствами	Управление устройствами в домене измерений, включая питание, системные параметры, идентификацию и программное обеспечение/встроенное программное обеспечение в устройстве
Управление службами	Управление службами, предоставляемыми сенсорными узлами и шлюзами сенсорной сети, включая регистрацию служб, обнаружение служб, описание служб, анализ служб и очередь обработки служб
Управление безопасностью и приватностью	Управление безопасностью связи и данных, в том числе аутентификация, авторизация, шифрование и управление ключами. Управление защитой персональной информации, в том числе минимизация данных, анонимизация, псевдонимизация и т.д. Управление приватностью обычно начинается с оценки риска/влияния на приватность, в том числе определения мер безопасности для уменьшения выявленных рисков
Управление сетью	Управление топологией сети, таблицей маршрутизации, конфигурационной информацией, производительностью и реконфигурацией информации о сети
Управление приложениями	Управление изменениями параметров или обновлениями приложения в сенсорных узлах или в сенсорной(ых) сети(ях)
Обратная связь и контроль	Запуск управляющей команды в исполнительных устройствах в соответствии с обратной связью пользователя в зависимости от требований приложения. Необходимость контроля обратной связи определяется требованиями приложения
Извлечение признаков	Извлечение признаков (см. примечание) может проводиться на разных уровнях. Методы извлечения признаков различаются в зависимости от типа датчика и данных датчиков. В общем случае признаки извлекаются из необработанных данных датчика или из обработанных данных. Извлечение признаков обычно производится алгоритмом(ами)
Агрегация данных	Агрегация данных собирает похожие данные из нескольких источников (например, датчиков, процессоров, баз данных). При необходимости агрегация данных может проводиться в хронологическом порядке
Слияние данных	Методы слияния данных объединяют данные из множества распределенных источников данных/информации и преобразуют эту информацию в отдельные эффективные элементы в процессе логического умозаключения. В зависимости от стадии обработки, на которой происходит слияние данных, классифицируют низкие, промежуточные или высокие уровни слияния данных. Например, алгоритм/программное обеспечение слияния данных низкого уровня объединяет несколько источников необработанных данных для создания новых необработанных данных. Объединенные данные дают более полную картину физического мира, в особенности для объектов интереса в физическом мире, по сравнению с отдельными необъединенными данными из множества источников
Совместная обработка информации (CIP)	Совместная обработка информации во многом похожа на слияние данных. В случае CIP объединение данных проводится на уровне сети, на котором задействовано несколько сетей. Основной принцип объединения данных из нескольких источников для создания эффективных элементов совпадает со слиянием данных
Извлечение информации	Тип поиска информации, целью которого является автоматическое извлечение структурированной информации из неструктурированных и/или полуструктурированных данных
Интеллектуальный анализ данных	Интеллектуальный анализ данных — это процесс обнаружения новых шаблонов из больших наборов данных, включающий методы статистики, искусственного интеллекта и управления базами данных. Целью является обнаружение ранее неизвестных шаблонов, а не на обобщение известных шаблонов для новых данных (в отличие, например, от машинного обучения)
Примечание — В спецификации реализации пространственной информации OpenGIS® — Доступ к простой геометрии — Часть 1: Общая архитектура ( OpenGIS® Implementation Standard for Geographic Information — Simple feature access — Part 1: Common Architecture, Open Geospatial Consortium OGC 06-103r4, 28 мая 2011 г.), «признак» определяется как «абстракция явлений реального мира»; однако в настоящем стандарте признак используется в общем смысле, включая определение в документе OGC.

В домене сети функциональной архитектуры сенсорной сети отображаются только функции, связанные с сенсорной сетью. В таблице 2 представлены функциональные сущности домена сетей, указанного на рисунке 4. Домен сети может быть реализован локальной и/или глобальной сетью. Локальная сеть используется, когда домен измерений и домен служб находятся в одной сети, а глобальная сеть используется, когда домен измерений и домен служб находятся в разных сетях. Также возможны случаи, когда:

Таблица 2

Функциональная модель и описания в домене сети

Функциональная сущность	Описание
Передача данных	Отправка и получение данных между устройствами с использованием существующих или новых технологий передачи данных
Управление устройствами	Управление информацией об устройствах в глобальной сети, включая питание, системные параметры, идентификацию и встроенное программное обеспечение/аппаратное обеспечение в устройстве
Управление безопасностью	Управление безопасностью транспортировки данных, включая контроль доступа, аутентификацию, авторизацию, шифрование и управление ключами

Домен служб

В домене служб среди различных сущностей представлены сущности бизнес-менеджмента и управления пользователями. Использование двух указанных сущностей управления зависит от требований к приложению(ям) проектируемой и разрабатываемой сенсорной сети. В таблице 3 приведены функциональные сущности домена служб, указанного на рисунке 4.

Таблица 3

Функциональная модель и описания в домене служб

Функциональная сущность	Описание
Хранение данных	Хранение данных, в том числе данных датчиков из домена измерений и управляющих команд от пользователя
Обработка данных	Использование алгоритмов обработки данных/сигналов для извлечения требуемой или полезной информации из данных датчиков и метаданных. Алгоритмы извлечения информации включают совместную обработку информации или слияние данных, извлечение признаков и агрегацию данных
Передача информации	Отправка и получение данных между устройствами в домене служб с использованием технологии передачи данных существующей сети
Информационное обеспечение	Предоставление полезной информации пользователям через пользовательский интерфейс
Управление устройствами	Управление информацией о конечных устройствах приложений, включая мощность, системные параметры, идентификацию и программы устройства
Управление службами	Управление службами, предоставляемыми пользователям приложением, включая регистрацию службы, обнаружение службы, описание службы, анализ службы и очередь обработки службы
Управление безопасностью	Управление безопасностью данных и связей в домене служб, включая управление доступом, аутентификацию, авторизацию, шифрование и управление ключами
Бизнес-менеджмент	Управление бизнес-процедурами, бизнес-правилами, бизнес-операциями и статистическим анализом бизнес-данных. Необходимость бизнес-менеджмента зависит от требований приложения
Управление пользователями	Управление информацией о пользователях, включая идентификацию пользователя, требования приложений и авторизацию пользователей. Необходимость управления пользователями зависит от требований приложения

7 Бизнес-архитектура

Бизнес-архитектура является неотъемлемой частью системной или технической архитектуры. Разработка бизнес-архитектуры должна быть завершена до разработки любых других архитектур (например, системной (логической), технической (физической), функциональной), которые все вместе составляют архитектуру предприятия. Схемы бизнес-архитектуры определяется конкретным приложением; следовательно, в настоящем стандарте не определена подробная бизнес-архитектура, а определены обобщенные высокоуровневые сущности бизнес-архитектуры, которые могут использоваться при разработке любой архитектуры.

Бизнес-архитектура является концептуальной типовой моделью, разработанной владельцем, который имеет бизнес-модель и понимание рынка и будет инвестировать в разработку приложений и/или услуг для рынка. Бизнес-архитектура обеспечивает взаимодействие с основными заинтересованными сторонами для их поддержки и участия в создании архитектуры предприятия, а также в реализации архитектуры в виде физической системы или систем.

Бизнес-архитектура или концептуальная типовая бизнес-модель могут включать:

• семантическую модель, определяющую бизнес-сущности и взаимоотношения между бизнес-сущностями;
• модель бизнес-процесса, определяющую бизнес-процесс и бизнес-ресурсы;
• модель системы бизнес-логистики, определяющую местоположение организации и деловые связи с точки зрения логистики и цепочки поставок;
• модель потока работ, определяющую организационные единицы для выполнения бизнеса и производимого продукта;
• план-график производства, определяющий временные рамки проекта для деловых событий и бизнес-цикла;

Рекомендуется документировать потенциальные изменения в бизнес-моделях для обеспечения необходимой гибкости при проектировании сенсорной сети.

8.1 Общие положения

Информационная архитектура является компонентом архитектуры предприятия, в котором при описании структуры предприятия рассматривается информационный компонент. Основное внимание уделяется прикладным аспектам и аспектам данных ИТ-системы. Информационная архитектура часто включает прикладную архитектуру и корпоративную модель данных. Прикладная архитектура представляет потоки данных между приложениями в интегрированной информационной системе.

Одними из целей информационной архитектуры являются создание общей модели данных и стандартизация форматов обмена данными между организациями и учреждениями. Стандартизация объектов данных снижает сложность архитектуры и существенно уменьшает время предоставления новых услуг. Информационная архитектура включает деятельность всего предприятия, в том числе такие аспекты как архитектура данных, управление метаданными и управление знаниями.

8.2 Прикладная архитектура

Прикладная архитектура, подобная показанной на рисунке 5, представляет схему конкретного приложения, которое будет принято, его ассоциации и взаимоотношения с бизнес-процессами предприятия. Приложения определяются не как системы, а как группы возможностей, которые управляют объектами в архитектуре данных и поддерживают бизнес-процессы в бизнес-архитектуре. Приложения и их возможности определяются без привязки к конкретным технологиям. С одной стороны, будут проводиться периодические обновления приложений. С другой стороны, технология для реализации приложения со временем будет меняться в зависимости от доступных технологий и меняющихся требований бизнеса. В общем случае под «пользователем» понимается сущность (человек или не человек (например, машина, компьютер, программное обеспечение)), который использует данные и/или информацию. Функции, связанные с приложениями сенсорных сетей (например, визуализация, отчетность и оповещения), показанные на рисунке 5, могут находиться в пользовательских приложениях в зависимости от разрабатываемого и развертываемого приложения/услуги. Приложения сенсорной сети могут включать, но не ограничиваются ими, визуализацию, отчетность и оповещения.

8.3 Архитектура данных

Архитектура данных описывает структуру логических и физических активов организации и ресурсов управления данными. Целью архитектуры данных является определение основных типов и источников данных для поддержки предприятия понятным, стабильным, полным и последовательным образом. Создание архитектуры данных не включает разработку базы данных, разработка базы данных будет проводиться по мере расширения архитектуры. Результатом разработки архитектуры данных является определение сущностей данных, относящихся к предприятию.

Архитектура данных является важной частью сенсорных сетей; однако, разработка архитектуры доступа к данным, хранения, поиска и перемещения данных различна для разных приложений. Поэтому в настоящем стандарте рассматривается необходимость архитектуры данных в типовой архитектуре на системном уровне или архитектуре реализации.

9 Техническая архитектура

9.1 Общие положения

Типовая архитектура включает в себя набор сущностей для описания сенсорной сети. Сущности могут быть описаны несколькими способами. Каждая сенсорная сеть состоит из домена измерений, домена услуг, а также управления и контроля согласно рисунку 4, на котором представлена функциональная типовая архитектура для сенсорной сети. Например, сенсорные сети должны быть установлены для:

• использования технологий беспроводных и/или проводных сетей;
• подключения к магистральной сети (например, общедоступным сетям, Интернету, сетям следующего поколения, сетям мобильной связи);
• разработки промежуточного программного обеспечения, которое может быть включено для интеллектуальной и контекстно-зависимой обработки;
• внедрения технологий прикладного уровня, таких как интегрированная служба (например, сервис-ориентированная архитектура (SOA)), описание и представление информации датчиков для различных приложений сенсорных сетей;
• сбора данных с использованием сенсорных узлов и передачи данных на прикладной уровень через сеть доступа и магистральную сеть.

На рисунке 6 показаны уровни обслуживания ниже уровня прикладной архитектуры, приведенной на рисунке 5. Рисунок 6 представляет собой графическое представление типовой архитектуры для совместимой сенсорной сети с точки зрения служб, где стрелки представляют интерфейсы, обеспечивающие бесшовную функциональную совместимость между уровнями.

Рисунок 6 — Графическое представление типовой архитектуры для совместимой сенсорной сети с точки зрения служб

Типовая архитектура для совместимой сенсорной сети имеет три уровня обслуживания и два прикладных уровня: служба датчиков, служба сенсорных сетей, служба обработки данных датчиков, приложения сенсорной сети и пользовательские приложения/пользователи. Типовая архитектура включает четыре интерфейса: интерфейс сенсорного устройства, интерфейс сенсорной сети, интерфейс обработки данных датчиков и интерфейс приложения сенсорной сети.

На рисунке 6 показаны основные сущности сенсорной сети. Физические и системные сущности в различных доменах архитектуры могут быть разделены и описаны после документирования верхнего уровня архитектуры. Любое отдельное приложение/служба или все приложения/службы на рисунке 6 могут использоваться в конкретной архитектуре в зависимости от требований архитектуры. Основным преимуществом архитектуры сенсорной сети является то, что она позволяет распознавать и классифицировать различные требования для разных частей сенсорной сети и выбирать различные компоненты для достижения функциональной совместимости.

На рисунке 7 изображены четыре основных уровня. Многоточие указывает на то, что могут быть вставлены или разработаны другие функциональные элементы. Данный рисунок может быть сопоставлен с рисунком 6, на котором изображена типовая архитектура для сенсорной сети с точки зрения приложений и уровней обслуживания.

Рисунок 7 — Функциональная модель прикладного уровня сенсорной сети, уровня служб (или уровня промежуточного программного обеспечения) и уровня базовых

Функции уровня служб представляют собой набор функций, обычно требуемых приложениями сенсорной сети и функциями сенсорной сети. Функции уровня служб могут включать, например, сбор информации с датчиков, фильтрацию с использованием различных политик и правил, сравнение и анализ данных, интеллектуальный анализ данных, контекстное моделирование, обработку с учетом контекста, принятие решений и оценку с учетом контекста, интегрированное управление информацией с датчиков и интеграцию служб.

• общие службы включают службы, которые доступны в сети и могут использоваться другими узлами или шлюзом через магистральную сеть. Службы предлагают базовые функции, которые являются общими для сенсорных сетей. Общие службы также включают в себя функцию поддержки, являющуюся общей и доступной локально на сенсорном узле;
• службы для определенных доменов поддерживают разработку приложений для определенного сегмента рынка или области применения.

При разработке архитектуры для сенсорной сети для определенного приложения с использованием уровня служб и его функций в SNRA необходимо сделать:

а) идентификацию различных функций или служб по категориям уровня служб: службы для определенных доменов, общие службы и службы поддержки;

б) описание функций, необходимых в службах для определенных доменов. Детали функциональности должны разрабатываться компаниями, которые используют уровень служб, и разработчиками уровня служб (или промежуточного программного обеспечения);

в) определение интерфейсов между:

• уровнем служб и уровнем базовых функций.

Определение интерфейса для каждого модуля в промежуточном программном обеспечении, прикладных уровнях и уровне базовых функций является задачей проектировщиков и разработчиков программного обеспечения/промежуточного программного обеспечения. Проектировщики и разработчики сенсорной сети должны предоставить разработчикам программного обеспечения/промежуточного программного обеспечения системные требования сенсорной сети и определения интерфейса между промежуточным программным обеспечением и прикладным уровнем, а также определение интерфейса между промежуточным программным обеспечением и уровнем базовых функций.

Функциональная модель должна применяться к промежуточному программному обеспечению узла, шлюзу и промежуточному программному обеспечению или платформе интеграции, которая используется для подключения инфраструктур сенсорной сети к информационной магистрали в компании, предоставляющей клиенту службы на основе сенсорной сети.

9.2 Физическое представление

Физическое представление (PV) — это описание задач и деятельностей, операционных элементов и процессов обмена информацией, необходимых для выполнения бизнес-процессов со стороны человека. PV содержит графические и текстовые материалы, которые определяют операционные узлы и элементы, назначенные задачи и деятельности, а также информационные потоки между узлами. PV определяет типы обмениваемой информации, частоту обмена, задачи и деятельности, поддерживаемые процессами обмена информацией, и характер обмена информацией.

На рисунке 8 показана обобщенная последовательность операционных деятельностей сенсорной сети, необходимая для выполнения любой поставленной задачи:

а) мониторинг: входными данными обычно являются оперативное планирование и программирование датчика и любые данные/информация об обратной связи от любых других деятельностей в последовательности деятельностей, выходными данными обычно является наблюдаемая информация о физическом мире, находящегося под мониторингом;

б) обнаружение: входными данными является наблюдаемая информация, выходными данными являются данные/информация об обнаруженном объекте или объектах в области мониторинга. Данные/информация могут включать в себя характеристики объекта(-ов);

г) принятие решения: входными данными являются данные/информация об объекте(-ах) и любые другие доступные данные из других источников (например, уровень данных), выходными данными являются точные параметры обнаруженного(-ых) объекта(-ов);

е) подтверждение: входными данными являются данные мониторинга для определения, было ли и с какой эффективностью выполнено действие или реагирование, выходными данными является подтверждение выполнения и эффективности. Если выполнение не является эффективным, или действие/реагирование не может быть подтверждено, то данная деятельность может повторить выполнение.

Каждая из этих задач описывает ответственность на своем уровне, а также используемые системы. В системном представлении (SV) системы, используемые для создания физической архитектуры, рассматриваются более подробно.

9.3 Системное представление

Системное представление (SV) — это набор графических и текстовых материалов, которые описывают системы архитектур (например, сущности архитектуры) и взаимодействия (например, линии архитектуры), которые обеспечивают прикладные функции и характеристики взаимодействия. Такие функции и соединения называются бизнес-процессами. Прикладные функции включают как бизнес-операции, так и бизнес-функции. SV связывает системные ресурсы с PV. Системные ресурсы поддерживают оперативные деятельности и обеспечивают обмен информацией между операционными узлами. SV описывает технологические системы и их функции для поддержки стороны человека в PV.

На рисунке 9 показано системное представление архитектуры связей сенсорной сети определенной реализации на основе рисунка 2. На данном рисунке две сенсорные сети подключены к магистральной сети через шлюз сенсорной сети и сеть доступа. Сенсорная сеть состоит из нескольких географически распределенных сенсорных узлов, которые собирают данные из окружающей среды. Данные, собранные сенсорными сетями, передаются поставщикам услуг и пользователям через шлюз, сеть доступа и магистральную сеть.

- сенсорный узел;

- канал связи;

- пользователь

На рисунке 10 представлены прикладные уровень и подуровни типовой архитектуры сенсорной сети, созданные для обслуживания различных приложений (например, защиты от хищения, мониторинга температуры и обработки данных датчиков).

Рисунок 10 — Системная архитектура сенсорных сетей — Уровни

Прикладной уровень взаимодействует с программными приложениями, которые осуществляют передачу данных/информации. Функции прикладного уровня могут включать в себя идентификацию партнеров по связи, доступность ресурсов и управление ими, а также синхронизацию передачи. Сенсорная сеть и управление датчиками взаимодействуют с данным уровнем стека OSI <*>. На рисунке 10 показана иерархия элементов контроля с номерами, где «1» является верхним уровнем иерархии. На рисунке 10 также перечислены некоторые сущности управления на уровне служб (например, управление связью, управление данными, управление безопасностью и управление группами). Уровень базовых функций включает список таких сущностей, как каналы связи, драйвер датчика и часы. С данными уровнями функциональные подуровни сенсорного узла соединяются с подуровнем контроля/совместной работы через прикладной уровень и уровень служб. Данный тип архитектурной схемы показывает архитектуру сенсорной сети с точки зрения задействованных уровней и их функций, деятельностей и ролей. Доступ и/или магистральная сеть могут включать в себя определенные возможности служб беспроводной сенсорной сети.

---

<*> Стек OSI — набор спецификаций протоколов для семи уровней взаимодействия, определенных в модели OSI (Open System Interchange).

9.4 Функциональность системы

Описание функциональности системы определяет функции системы и их иерархию, а также потоки данных системы между ними. На рисунке 11 приведен пример описания функциональности системы сенсорной сети. Главной задачей такого описания является однозначное определение необходимых потоков данных системы, потребляемых и создаваемых каждой системой/сущностями в сенсорной сети. Описание позволяет обеспечить полностью установленное соединение, а также соответствующий уровень детализации функциональной декомпозиции.

Рисунок 11 — Схема описания функциональности системы сенсорной сети

9.5 Техническое представление

Техническое представление (TV) может быть рассмотрено как репозиторий различных технических документов, за исключением документов, непосредственно касающихся архитектуры. Технические документы служат руководством для разработки открытой архитектуры и способствуют соответствию утвержденным стандартам для обеспечения функциональной совместимости между системами, включенными в архитектуру. Таким образом, основной задачей TV является сопровождение архитектуры руководящими техническими документами на протяжении всех циклов разработки архитектуры для:

• использования единой терминологии;
• определения стандартных совместимых интерфейсов;
• удобного и простого повторного использования архитектуры.

Дополнительными задачами TV являются гарантия соответствия разрабатываемой системы определенному набору эксплуатационных и функциональных требований и накопление такого набора на протяжении разработки архитектуры. TV предоставляет руководства по реализации, на основе которых разрабатываются спецификации, устанавливаются общие строительные блоки и проводится разработка продуктов. TV включает в себя не только технические стандарты, относящиеся к разрабатываемой архитектуре, но также соглашения о реализации, варианты стандартов, правила и критерии, организованные в профили, которые управляют системами и элементами системы для данной архитектуры. TV может включать в себя конкретные определения интерфейса или информацию о разработанной архитектуре. TV может включать рекомендации по разработке архитектуры.

На рисунке 12 представлены некоторые технологии, задействованные в разработке типовой архитектуры для сенсорных сетей. В сенсорных сетях используются такие ключевые технологии как:

• сенсорная обработка;

в) коммуникационные технологии;

г) вычислительные технологии:

• вычисления общего назначения: программное обеспечение/программно-аппаратные средства;
• встроенные вычисления: программное обеспечение/программно-аппаратные средства;
• обработка данных/информации;

д) технологии исполнительного устройства;

е) энергетические технологии.

TV типовой архитектуры для сенсорных сетей предоставляет разработчикам и исполнителям соответствующие стандарты в областях ключевых технологий.

(справочное)

МЕЖДУНАРОДНЫМ СТАНДАРТАМ, ИСПОЛЬЗОВАННЫМ В КАЧЕСТВЕ

Обозначение ссылочного национального стандарта	Степень соответствия	Обозначение и наименование ссылочного международного стандарта
ГОСТ Р ИСО/МЭК 29182-1-2018	IDT	ISO/IEC 29182-1:2013 «Информационные технологии. Эталонная архитектура для сенсорных сетей (SNRA). Часть 1. Общий обзор и требования»
ПНСТ 519-2021 (ИСО/МЭК 29182-2:2013)	MOD	ISO/IEC 29182-2:2013 «Информационные технологии. Сенсорные сети. Типовая архитектура для сенсорных сетей (SNRA). Часть 2. Словарь и терминология»
Примечание — В настоящей таблице использованы следующие условные обозначения степени соответствия стандартов: - IDT — идентичный стандарт; - MOD — модифицированный стандарт.

БИБЛИОГРАФИЯ

[1]	ISO/IEC 29182-5:2013	Information technology — Sensor networks: Sensor Network Reference Architecture (SNRA) — Part 5: Interface definitions (Информационные технологии. Сенсорные сети. Типовая архитектура для сенсорных сетей (SNRA). Часть 5. Определения интерфейса)
[2]	ISO/IEC 29182-4:2013	Information technology — Sensor networks: Sensor Network Reference Architecture (SNRA) — Part 4: Entity models (Информационные технологии. Сенсорные сети. Типовая архитектура для сенсорных сетей (SNRA). Часть 4. Модели сущностей)

УДК 004.93'1:006.89:006.354	ОКС 35.110
Ключевые слова: сенсорная сеть, типовая архитектура, бизнес-архитектура, информационная архитектура, техническая архитектура

---