Internet spojených věcí

Pod pojmem internet věcí si dnes většina lidí představuje samočinně létající drony, automatizované velkosklady s bezobslužnými vozíky nebo například mluvící vysoušeče vlasů. Příběh internetu věcí ale začal u nenápadného nápojového automatu, umístěného ve třetím patře Univerzity Carnegie Mellon v pensylvánském Pittsburghu. Aby si místní studenti počítačové vědy ušetřili chození do schodů, osadili automat několika senzory, které propojili s univerzitním počítačem PDP-10. Ti, kteří znali tajný terminálový příkaz »finger coke@cmua«, zjistili i bez chození do schodů, zda se v automatu nachází pití, kdy jej naposledy plnili a jaká je teplota nejspodnějších lahví.

Celý svět by měl komunikovat

V dnešní terminologii studenti vlastně vytvořili první nápojový smart automat. I když se nejednalo o počítač ani o senzor, stala se z něj věc, která okolnímu světu automaticky předávala informace o sobě a o svém stavu. Internet byl ještě v samých počátcích, když britský technolog Kevin Ashton předpověděl, že největší potenciál této celosvětové sítě spočívá právě v komunikaci mezi stroji, ne mezi lidmi. Během přednášky, kterou proslovil v roce 1999, poprvé v této souvislosti použil sousloví Internet of Things (internet věcí) a dal tím název novému fenoménu. I když Ashton později litoval, že nezvolil raději spojení Internet for Things (internet pro věci), původní označení se ujalo a dalo základ novému technologickému trendu, na kterém plánují největší světové firmy postavit budoucnost svoji i celého světa. Díky konceptu IoT to vypadá, že potenciál internetu se ještě zdaleka nevyčerpal.

Přes ohromný nárůst počtu zařízení schopných připojení k internetu (podle společnosti Gartner existovalo v roce 2017 na světě 8,4 miliardy zařízení s internetovým připojením a do roku 2020 by jich mělo být více než 20 miliard), jsou přístroje v našem okolí stále zoufale málo propojeny. Navzdory své síťové struktuře funguje dnes internet primárně centralizovaným způsobem: namísto toho, aby zařízení do něj připojená komunikovala přímo mezi sebou, většina jeho prvků i uzlových bodů je připojena k nějakému centrálnímu výpočetnímu centru. Pouze nejnovější technické a technologické pokroky dokážou zajistit takovou míru vzájemných spojení, která by potenciálně umožnila vznik opravdového internetu věcí.

Označení „internet věcí“ má za sebou od roku 1999 zajímavou kariéru. Opravdu populární je až od roku 2013, ale přesto dodnes většina lidí vlastně neví, co přesně toto sousloví označuje. Podle nedávného průzkumu dokázalo termín „internet věcí“ vysvětlit pouhých 16 procent respondentů. Není vlastně ani divu, protože tento termín se běžně používá k označení prakticky jakéhokoliv pokusu o propojení fyzického a digitálního světa. Označujeme jím cokoliv od elektrických zubních kartáčků s připojením ke cloudu a kočičích záchodů s funkcí rozpoznávání tváře až po pokročilé smart-grid koncepty virtuálních elektráren a autonomně řízená hejna dronů. Zastánci a průkopníci internetu věcí někdy s přehnaným despektem hledí na cokoliv, co není připojeno do sítě, jako na zastaralý koncept a jeho odpůrci označují internet věcí za Internet of Shit. Jak tomu často bývá s revolučními myšlenkami, někdo internet věcí bere příliš vážně, jiní si z něj dělají nezasloužený posměch.

Mezi stroji

Internet věcí nelze vysvětlit pouhým vyjmenováním jeho jednotlivých součástí, protože na rozdíl od toho, co si pod tímto termínem většina lidí představuje, jej tvoří hlavně organizační princip, ne jednotlivé příklady jeho využití. Zjednodušeně vzato by šel termín IoT vysvětlit takto: Zatímco internet umožnil přístrojům, aby jejich prostřednictvím mohli mezi sebou komunikovat lidé, internet věcí mezi sebou spojuje přístroje. Internet věcí představuje komunikační médium pro stále chytřejší autonomní stroje.

I když Kevin Ashton nevlastní autorská práva na označení a definici tohoto termínu, jeho představa internetu věcí byla vpravdě vizionářská. V roce 2009 napsal při příležitosti desátého výročí vzniku konceptu IoT Ashton do žurnálu RFID následující řádky: „V současné době dostávají počítače, a tedy i celý internet, informace pouze od lidí. Přesto jsou stroje a senzory ve shromažďování informací mnohem lepší než lidé. Lidé jsou omezeni časem, pozorností a přesností, proto nejsou vhodní pro sběr dat z reálných událostí. A to je velký problém.“

Internet byl vždy sítí složenou z věcí, jako jsou kabely, směrovače, pevné disky, satelity a rozbočovače. Ale tyto předměty představovaly pouze pasivní média, pro jejichž správnou práci byl vždy potřebný člověk. To, co měl Ashton na mysli v roce 1999, byla technická realita existující nezávisle na lidech. Namísto toho, aby stroje byly jako „bezduché mozky“ závislé na vstupních datech od lidí, by mohlo být výhodnější připojit zdroje dat přímo k mozku počítače. „Musíme dát počítačům schopnost shromažďovat své vlastní informace, aby mohly nezávisle nazírat, naslouchat a cítit svět ve své arbitrerní kráse.“ Pokud bychom odstranili „omezení dané lidskými daty“, mohl by internet věcí změnit svět stejným způsobem jako kdysi internet, a možná ještě výrazněji.

Tři pravidla pro síť

Aby se Ashtonova představa o internetu věcí stala realitou, bude nejprve nutné propojit věci mezi sebou. Nepropojené prvky bude nutné zapojit do sítě a pro zajištění komunikace mezi nimi bude třeba nasadit správná rozhraní a protokoly. Tato fáze již dnes probíhá značným tempem. V rozmezí mezi lety 2016 a 2021 se očekává 2,5násobný nárůst množství spojení typu machine-to-machine (M2M), zatímco množství dat protékajících těmito spojeními má narůst dokonce sedminásobně (kvůli videopřenosům a ohromnému množství dat spojených s automatizovanými systémy chytrého řízení dopravy a automobilů). V současné době se největší množství M2M spojení nachází v segmentu chytrých domácností a na pracovištích.

Podle studie společnosti Cisco se vzrůstající počet M2M aplikací, jako jsou inteligentní měřiče, systémy dohledových kamer, nástroje pro sledování zdravotního stavu, doprava, sledování zásilek a sledování majetku, zásadním způsobem podílí na růstu prodeje zařízení a síťových služeb. V roce 2021 mají M2M propojení představovat 51 procent všech zařízení a síťových instalací.

Čtyři pilíře internetu věcí

Tento nárůst umožnilo několik technických a technologických inovací: strojové učení, nové systémy bezdrátového přenosu dat a zvláště pak moderní SoC (system-on-a-chip) mikropočítače a nové standardy umožňující vzájemné přímé spojení jednotlivých zařízení.

Gerhard Lesch, business development manager pro segment IoT společnosti Intel, nám prozradil, že „hlavní trend v oblasti IoT spočívá v umělé inteligenci a podpoře hardwarových komponent, jakými jsou SoC čipy a CPU“. Zatímco Ashton si představoval síťově propojené senzory jako vzdálené smyslové orgány propojené s centrálním počítačovým mozkem, část týkající se „myšlení“ bývá v současnosti outsourcována. Kvůli snížení objemů datového toku se valná část zpracování dat provádí již přímo v senzorech. Tento princip, zvaný Edge Computing představuje první pilíř internetu věcí a je také nástrojem, který zajišťuje lokální spolupráci s ostatními síťovými zařízeními. Inteligentní senzory nezávisle používají k výběru dat a sbírání informací přicházejících z ostatních senzorů a zařízení v okolí strojově naučená kritéria.
Druhý pilíř internetu věcí je s tím úzce provázaný.

Díky pokrokům na poli strojového učení mohou být IoT zařízení vybavena flexibilně hodnotícími kritérii a filtry. Schopnost rozpoznávat objekty, tváře, jazyky, překážky nebo podobnosti datových matric dává IoT zařízením schopnost autonomně hodnotit a přizpůsobovat se měnícím podmínkám. To snižuje objem datových přenosů a otevírá nové možnosti ohledně předvídání, včasné detekce chyb a optimalizace procesů. Nasazení IoT přináší ohromné výhody obzvlášť do průmyslového sektoru. Například výrobní stroje umístěné v určité továrně budou schopné přímo komunikovat s jinými stroji, umístěnými v jiné továrně. V takovém případě by se mohly i stroje z jedné továrny do určité míry samostatně a okamžitě učit od strojů umístěných v jiném závodu. Pokročilejší a „zkušenější“ stroje by tak mohly předávat své zkušenosti „méně vzdělaným“ strojům. To by například umožnilo mnohem rychlejší náběh a optimalizaci výroby v nové továrně. Tento přístup by rovněž otevřel ohromné možnosti úsporám, obzvláště v logistickém segmentu, což dokazují například částečně automatizované sklady společnosti Amazon, ve kterých používají transportní roboti pro přenášení balíčků systém swarmových operací.

Podle studie společnosti Bitkom podobný systém automatizovaných skladovacích vozíků a síťově propojených kontejnerů již dnes používá každá pátá německá logistická společnost. Organizace skladů je automatizovaná a pohyb materiálu a transportních zařízení ovládá skladový logistický systém.

Třetí pilíř internetu věcí se týká nových technologií a protokolů bezdrátové komunikace. Díky nim je možné vytvářet lokální přehledné sítě s vysokou přenosovou rychlostí a rychlou odezvou, extrémně vysokou efektivitou datové propustnosti a velkým dosahem. Podle Gerharda Lesche bude nadcházející 5G standard představovat klíčovou technologii pro rozvoj IoT. Díky přibližně desetkrát vyššímu nárůstu rychlosti LTE a velmi krátké době odezvy 5G významně zlepší konektivitu mezi stroji a dalšími zařízeními a vytvoří základ pro zvládnutí přenosu gigantického množství dat v rámci internetu věcí. Dalším důležitým krokem je vytvoření extrémně energeticky úsporných sítí, které nabízí například LTE IoT společnosti Qualcomm. „To nám umožní zjednodušit propojená zařízení, dosáhnout až roční výdrže na baterii jednotlivých zařízení a rozšířit dosah pokrytí, aby bylo možné propojit senzory a měřicí zařízení, umístěné ve složitějším prostředí, jako je například venkov nebo vnitřní prostor budov,“ vysvětluje Seshu Madhavapeddy, ředitel vývoje IoT zařízení společnosti Qualcomm. „To je obzvláště důležité při přípravě konceptů chytrých měst a budov.“ Budoucnost v každém případě náleží technologii 5G, která bude hrát roli „homogenní tkáně umožňující vzájemné propojení miliard zařízení“.

Podle Gerharda Lesche představují čtvrtý pilíř internetu věcí nové standardy. Podle něj je nutné ocenit zásadní pokroky v oblasti technologií vedoucích k dosažení fáze masové výroby. „Dosáhli jsme vysoké úrovně standardizace IoT a v současné době vyvíjíme IoT řešení způsobem, který bere v potaz opravdové potřeby trhu.“ Na druhou stranu ale dodává, že „některé nedotažené standardy a fragmentovaná proprietární řešení vedou k potřebě manuálních úprav nastavení middlewaru a komunikačních rozhraní“. To v současnosti představuje ohromnou výzvu při integraci současného inventáře používaných zařízení do celistvé IoT infrastruktury. Některá průmyslová odvětví se navíc potýkají s pomalejší implementací, danou regulačními překážkami a nedostatky v oblasti standardizace.

Kdyby se síť obrátila proti nám

Zásadní problém, který prozatím stále čeká na řešení, představuje bezpečnost. Všudepřítomné síťově propojené senzory a autonomní systémy přináší řadu problémů týkajících se ochrany a zabezpečení dat. Stanou-li se stroje jedinou instancí, která je schopná pracovat s takovým množstvím dat, vyústí to ve vznik černých krabiček vydávajících algoritmicky vypočítaná rozhodnutí. V takovém prostředí bude stále složitější opravovat chyby nebo reagovat na neustále se měnící podmínky.

Obzvláště v prostředí veřejného prostoru (chytrá města, autonomní dopravní a dohledové systémy) by stroje mohly akumulovat ohromné databáze znalostí o životě a sociálních procesech občanů. Tyto obavy vedou k zásadním otázkám: mohou stroje narušovat osobní prostor? Spadá neustálé sledování a analýza jednotlivců do kategorie narušení osobní svobody? S výhledem na nadcházející éru IoT je nutné, aby společnost zaujala pevný názor na internet jako aktivní médium a na stroje jako jeho autonomní prvky. Důležité to je hlavně s ohledem na potenciál zneužití ze strany státních složek.

Internet věcí opravdu představuje v praktickém životě značné bezpečnostní riziko. Samotná existence neustále vzrůstajícího množství propojených zařízení je vždy automaticky doprovázena zvýšením bezpečnostních problémů. I když je v současnosti počet internetových zařízení stále vcelku kontrolovatelný, pokusy o hromadné rozšíření záplat na neustále se objevující bezpečnostní rizika selhávají. Tento problém se bude s rozšířením počtu propojených zařízení exponenciálně prohlubovat. V takovém prostředí už nebudou hlavním problémem pokusy hackerů o prolomení do dětských telefonů nebo pokusy o únos autonomních vysavačů. Případ Mirai (viz vpravo nahoře) ukazuje, že internet věcí nebude jen novým typem internetu, ale bude představovat i novou hrozbu, kterou nakonec budou muset kontrolovat pouze lidé.

***

Růst IoT v číslech

Podle studie společnosti Gartner se počet síťově propojených zařízení v domácnostech a firmách v následujících letech zvýší dvouapůlnásobně (údaje v milionech kusů) 1 . Během stejné doby se zdvojnásobí i investice do IoT (částky v milionech dolarů) 2 .

1 2016 2017 2018 2019 2020 2021 CAGR* (%) 2016-2021
Běžná odvětví 1 049,0 1 388,0 1 911,7 2 698,4 3 811,1 5 268,9 38,1
Specifická odvětví 1 343,6 1 658,3 2 040,9 2 521,2 3 129,2 3 847,2 23,4
Domácí uživatelé 3 875,3 5 088,9 6 733,1 8 974,4 11 992,0 15 967,6 32,7
Celkem 6 267,9 8 135,2 10 685,7 14 194,0 18 932,3 25 083,7 32,0

2 2016 2017 2018 2019 2020 2021 CAGR* (%) 2016-2021
Běžná odvětví 224 917,9 290 125,9 380 170,5 481 620,2 568 501,3 658 704,0 24,0
Specifická odvětví 643 237,5 706 201,4 764 208,7 826 625,2 894 704,1 964 083,6 8,4
Domácí uživatelé 539 499,6 729 327,8 981 582,7 1 272 049,6 1 491 956,5 1 766 991,4 26,8
Celkem 1 407 655,0 1 725 655,1 2 125 961,9 2 580 295,0 2 955 161,9 3 389 779,0 19,2
* složená roční míra růstu

***

Příbuzné obory IoT

> Edge Computing: Výpočetní centra přenáší část výpočetního výkonu do okrajových a koncových prvků sítě. Tyto síťově propojené senzory a další přístroje jsou proto vybaveny vlastními mikropočítači. Dokážou například samostatně a bez nutnosti připojení ke cloudu rozpoznávat tváře nebo jazyky.
> Low Power Wide Area Network (LPWAN): Síťový protokol, určený pro připojení energeticky extrémně úsporných IoT zařízení, využívajících například NarrowBand LTE.
> Ubiquitous Computing: Koncept všudypřítomných počítačů, který proslovil v roce 1988 Mark Weiser, tvrdí, že „nejzásadnější technologie budou neviditelné. Propojí se s naším každodenním životem a nebude je možné od něj odlišit“.

***

ROZHOVOR: Ohromný potenciál

Seshu Madhavapeddy je ředitelem IoT divize společnosti Qualcomm v San Diegu.

* > Jaký je současný stav IoT?

IoT přináší ohromný potenciál, jak z pohledu firemních, tak koncových zákazníků. Zároveň ale představuje ohromnou technologickou výzvu, protože se bude muset vyrovnat s mnohotvárnými a neustále se měnícími požadavky spojenými s konektivitou, výpočetním výkonem, cenovým a konkurenčním tlakem, nárůstem dat, interoperabilitou, požadavky na bezpečnost a ochranu dat, energetickou úsporností a unikátními rozměrovými a funkčními požadavky. Aby se IoT dokázal hromadně rozšířit, musí být založen na malých produktech s nízkou spotřebou, okamžitou a nepřetržitou použitelností, vysokou konektivitou, nízkou cenou, vysokou bezpečností a snadnou použitelností. Všechny tyto požadavky kladou ohromné nároky na výrobce.

* > Jakou roli chce hrát Qualcomm ve světě IoT?

Chceme vynalézat a dodávat technologie pro IoT. Naše čipy umožní klientům rychle přinášet na trh vlastní cenově dostupné IoT produkty, jako jsou nositelná zařízení, hudební a jazykové služby, IP kamery, roboti, drony, komponenty chytrých domácností a domácích zábavních center, stejně jako komerční a průmyslová IoT zařízení. Qualcomm Technologies dokáže momentálně za den vyrobit více než milion IoT čipů, které od nás kupují stovky výrobců. Do našeho portfolia IoT řešení patří také celá řada system-on-a-chip komponent používaných v různých oblastech od pokročilých mobilních SoC až po Bluetooth SoC.

* > Co je momentálně nejdůležitější?

Pro rozvoj IoT je zásadní vývoj v oblasti edge computingu. Osazení koncových zařízení funkčním mikropočítačem snižuje latenci důležitých aplikací, závislost na cloudech a umožňuje snadnější správu ohromných datových toků generovaných IoT. Zároveň zvyšuje bezpečnost a posiluje ochranu dat, což je důležité hlavně v oblastech, ve kterých komponenty IoT pracují s citlivými osobními daty.

* > Co přijde dál?

Roste zájem o IoT zařízení, která dokážou zvládnout komplexní úkoly strojového učení a zároveň dokážou pracovat extrémně energeticky úsporně. Pracujeme na vývoji takových zařízení.

Foto popis| Roboti jako spolupracovníci Vedle 1 800 lidských zaměstnanců pracují v německém logistickém centru společnosti Amazon i stovky částečně autonomních transportních robotů. Jejich ovládání má na starosti centrální logistický systém.
Foto popis| Upovídané stroje Podle studie společnosti Cisco vzroste procento zařízení komunikujících s jinými (M2M) z 34 procent v roce 2016 na 51 procent v roce 2021.
Foto popis| Tento prototyp ušního implantátu dokáže měřit změny krevního tlaku a nasbíraná data přenášet do telemedicínských aplikací. IoT přinese revoluci do zdravotnictví.
Foto popis| RFID čipy lze použít pro označení věcí - a lidí - tak, aby je dokázaly přečíst počítače a propojit získaná data s výpočetními centry.
Foto popis| Internet odpudivých věcí Bezpečnostní díry v IoT zařízeních se jen zřídka podaří včas zalepit. Toho využívají tvůrci malwaru Mirai. Ten dokáže automaticky rozpoznat a napadnout prvky IoT. Varianta objevená v lednu letošního roku dokázala napadnout 1,5 miliardy zařízení osazených procesory typu ARC (Argonaut RISC Core).
Foto popis| V roce 2016 vytvořil malware Mirai propojením více než tří milionů nechráněných IP kamer, routerů a dalších IoT zařízení ohromnou armádu IoT botů.

O autorovi| FELIX KNOKE, autor@chip.cz