Bezprzewodowe sieci przyszłości

Podstawowym wyzwaniem w sieciach jest konieczność przetwarzania coraz większej ilości zgromadzonych danych. Rozwiązania wdrażane obecnie pozostają nadal zbyt skomplikowane lub mają zbyt wiele ograniczeń w tym aspekcie. Często uniemożliwia to sprawną komunikację oraz efektywną analizę informacji napływających z wielu różnych urządzeń. Próby integracji danych z poszczególnych węzłów bez odpowiedniego ich przetworzenia skutkują paraliżem pracy całej sieci, zwłaszcza w przypadku sieci bezprzewodowych. W związku z tym dane urządzenie, istniejące w obrębie wydzielonego systemu, jest często izolowane od reszty sieci.

Główne wyzwanie

Rys. 1. Przykładowe topologie dla bezprzewodowych sieci w przyszłości

Integracja danych z wielu różnych źródeł – na przykład z bezprzewodowych sieci czujników, systemów RFID, urządzeń obrazujących oraz innych węzłów końcowych sieci - wymaga specjalistycznych aplikacji, opartych na oprogramowaniu dedykowanym dla konkretnych urządzeń i pochodzącym od różnych producentów. W obrębie danego segmentu sieci można oczywiście oprzeć się na urządzeniach wybranego producenta, na przykład zastosować czujniki i oprogramowanie jednej firmy. Problemem jednak pozostaje w dalszym ciągu zintegrowanie pozostałych segmentów, w których są już stosowane elementy pochodzące z innych źródeł.

Rozwiązanie tej kwestii należy do projektantów. Jedną z możliwości jest zaakceptowanie wady, jaką jest uzależnienie urządzeń od macierzystego oprogramowania. Innym sposobem jest tworzenie specjalistycznych aplikacji obsługujących każdy sprzęt dołączony do istniejącej sieci. Trzecim sposobem jest połączenie obu wymienianych metod. Jeżeli zostanie wybrana pierwsza opcja, to należy pogodzić się z faktem braku możliwości wykorzystania aplikacji opartych o dynamiczną wymianę danych pomiędzy różnymi, niekompatybilnymi urządzeniami. Decyzja o wdrożeniu drugiego i trzeciego rozwiązania jest związana z dużym nakładem pracy oraz czasu, poświęconego na tworzenie i testowanie specjalistycznego oprogramowania.

Pokonywanie problemów

Rys. 2. Sieć nowej generacji w systemie dystrybucji energii elektrycznej

Coraz częściej są podejmowane próby zmierzające w kierunku projektowania nowych rozwiązań, odchodzących od dotychczasowego modelu odrębnych, sprzętowo zależnych sieci i systemów w kierunku sieci sieci (network of networks). Sieci następnej generacji będą miały charakter rozproszony oraz będą mieć inteligentne funkcje przetwarzania danych. W opcje te będą wyposażane nie tylko urządzenia centralne. Będą one rozpowszechniane także w obrębie całej sieci i wdrażane również w urządzeniach końcowych.

W przyszłości sieci staną się w większym stopniu niezależne od wykorzystywanego sprzętu. Funkcje przetwarzania, integracji i komunikacji będą rozwiązywane na poziomie aplikacji zaimplementowanych w poszczególnych urządzeniach. Dzięki mniejszym ograniczeniom narzucanym przez konkretny sprzęt będzie możliwe większe skupienie na wymaganiach stawianych sieci przez użytkowników i zwiększenie jej przepustowości.

Podstawą jest interfejs

Rys. 3. Przykład wdrożenia komponentów SensorPort i SensorBridge. Źródło: www.augustasystems.com

Podstawą sieci w przyszłości stanie się oprogramowanie uniwersalne. Powinno ono być niezależne od urządzenia, na którym jest implementowane, od producenta konkretnej grupy urządzeń oraz od wybranego protokołu transmisji. Zadaniem tego typu aplikacji, wspieranych przez ujednolicone platformy programowe, powinna być realizacja transmisji danych oraz kontrola nad wieloma urządzeniami sieciowymi za pomocą standardowych protokołów komunikacyjnych. Ograniczyłoby to, a w pewnych wypadkach nawet całkowicie wyeliminowało, potrzebę tworzenia oddzielnego oprogramowania dla poszczególnych elementów końcowych całej sieci.

Można oczekiwać, że wówczas nie wystąpią problemy z transmisją spowodowane na przykład niezgodnością protokołów obsługiwanych przez poszczególne węzły sieci. Wbudowane narzędzia oferujące różne metody przetwarzania powinny umożliwiać integrację danych z różnych źródeł, w tym baz danych, urządzeń z transmisją opartą o protokoły TCP, UDP, z transmisją szeregową itp. Oprogramowanie tego typu powinno w związku z tym realizować szereg funkcji, w tym kompleksową obsługę zdarzeń, powiadamianie o sytuacjach alarmowych, analizę danych pod kątem ich wzajemnego powiązania i dwukierunkową komunikację, niezbędną w monitoringu i automatycznej kontroli.

Sieci inteligentne – przykład wdrożenia

Rozwinięcie technologii sieciowych na opisywanym poziomie w znaczący sposób ułatwiłoby tworzenie, monitorowanie i zarządzanie rozległymi systemami kontrolnymi. Jako przykład można przedstawić sieć tego typu wdrożoną w Allegheny Power. Jest to firma z USA, dostarczająca energię elektryczną dla blisko 1,5mln użytkowników.

W 2007 roku w Allegheny Power rozpoczęto pilotażowy program mający na celu modernizację systemu. Wynikiem tej operacji miało być wdrożenie opcji automatycznej detekcji awarii i rozwiązywania problemów w dostawach energii elektrycznej w czasie rzeczywistym, czyli realizacja funkcji samonaprawiania systemu. W związku z tym zaplanowano między innymi rozlokowanie dodatkowych liczników, umożliwiających dokładniejsze śledzenie zużycia energii. Planując rozmieszczenie nowych mierników energii elektrycznej starano się maksymalnie zwiększyć wykorzystanie już zainstalowanych liczników, które dotychczas były poza zasięgiem sieci informatycznej. Usiłowano zagospodarować i zintegrować zarówno nową, jak i już istniejącą infrastrukturę, używając w tym celu wspólnej platformy komunikacyjnej.

Celem projektu w Allegheny Power było stworzenie mechanizmów, które na bieżąco monitorowałyby pracę poszczególnych elementów sieci. Głównym zadaniem było osiągnięcie spójności informacji podchodzących z różnych sieci (ZigBee, WiFi, WiMax). Analizując wymagania stawiane przed planowaną infrastrukturą uznano, że rozwiązaniem najlepszym i najbardziej efektywnym pod względem kosztów byłoby wykorzystanie technologii sieci inteligentnej. Z perspektywy architektury sieć taka pociągałaby za sobą dwa zasadnicze elementy. Przede wszystkim należało zapewnić samonaprawiający się szkielet sieci z punktami dostępowymi w sieci WiFi typu mesh i stacjami bazowymi WiMax. Po drugie niezbędne byłyby także urządzenia sieciowe, wyposażone w oprogramowanie niezależne od producenta i konkretnego protokołu transmisyjnego. Ich zadaniem byłoby umożliwienie przyłączenia do sieci WiFi i WiMax innych urządzeń, które oryginalnie nie byłyby przeznaczone do pracy w tych sieciach.

Elementy sieci

Aby wdrożyć opisywane założenia wybrano urządzenia sieciowe, wraz z odpowiednim oprogramowaniem, oferowane przez firmę Augusta Systems. Wybrane rozwiązania odpowiadają za odbieranie danych z czujników, mierników energii i innych urządzeń oraz umożliwiają efektywną kontrolę nad tymi elementami. Dzięki temu pozwalają tym urządzeniom, oryginalnie niedziałającym w sieciach WiFi i WiMax, na przyłączenie do głównej sieci. Kluczowymi elementami systemu w Allegheny Power stały się dwa rozwiązania proponowane przez Augusta Systems, a mianowicie SensorBridge i SensorPort. Elementy SensorPort zostały rozmieszczone w obrębie całego systemu dystrybucji energii, jako część sieci WiFi mesh. Z kolei pakiet SensorBridge zapewnił oprogramowanie sterujące urządzeniami SensorPort i umożliwiające integrację oraz interpretację danych z poszczególnych źródeł.

SensorBridge jest pakietem programów Microsoft Visual Studio, które zapewniają zarządzanie inteligentną siecią. Zasadniczą cechą tego rozwiązania jest możliwość łączenia danych z różnych źródeł. Pakiet SensorBridge wykorzystuje kilka głównych komponentów, które odpowiadają za odbieranie danych (Data Capture), powiązanie przechwytywanych treści (Data Correlation) oraz dalszą transmisję (Data Distribution). Elementy odpowiedzialne za przechwytywanie i transmisję danych wykorzystują istniejącą infrastrukturę sieciową do asynchronicznego odbierania informacji z urządzeń końcowych i synchronicznego odbioru danych z urządzeń sieciowych (bramy, serwery, stacje robocze). Odbierane informacje są automatycznie przekształcane w dane w formacie SensorBridge i dalej transmitowane, przy wykorzystaniu protokołów TCP i UDP. Podobna operacja konwersji na format SensorBridge jest przeprowadzana na informacjach odczytywanych z baz danych zapisanych w różnych formatach (na przykład Microsoft SQL Server. Oracle, Access, MySQL).

Augusta Systems oferuje także pakiet EdgeFrontier, który jest zdalnie konfigurowalnym oprogramowaniem pozwalającym na tworzenie i zarządzanie siecią. Można je skonfigurować do odbioru, przetwarzania i transmisji danych z różnych źródeł. EdgeFrontier zapewnia oddzielną warstwę odpowiadającą za przetwarzanie i transmisję danych, bez potrzeby tworzenia dodatkowego oprogramowania. Rozwiązanie to umożliwia transmisję oraz kontrolę urządzeń w sieci za pomocą protokołów TCP i UDP lub przy użyciu innych połączeń, także bezprzewodowych (WiFi, WiFi mesh, WiMax, ZigBee). EdgeFrontier może zostać zaimplementowany w każdym z sieciowych urządzeń (bramy, serwery, stacje robocze), pod warunkiem, że dany sprzęt ma zainstalowaną platformę Microsoft.NET Framework.

SensorPort to rekonfigurowalne urządzenie sieciowe. Jest to zestaw, który łączy w sobie elementy sprzętowe i wbudowane oprogramowanie. Może być skonfigurowany zarówno do realizacji połączeń w obrębie sieci, jak również do transmisji i odbioru danych z sieci zewnętrznych. SensorPort jest kompatybilny z architekturą SOA (Service-Oriented Architecture) i IPv6.

Podsumowanie

W Allegheny Power wprowadzono możliwość samonaprawiania systemu w przypadku wystąpienia przerwy w dostawie prądu. W pełni zorganizowana sieć posiada autonomiczny system samonaprawiający, składający się z automatycznych łączników, czujników oraz oprogramowania systemów automatycznej kontroli. Urządzenia rozmieszczone wzdłuż całej sieci umożliwiają zsynchronizowany monitoring kluczowych parametrów sieci. Transmisja może odbywać się w zaplanowanych odstępach czasowych lub w momencie wystąpienia konkretnego zdarzenia, na przykład braku prądu. Dane są przesyłane do centralnego punktu gromadzenia i przetwarzania danych. W punkcie tym informacje pochodzące z wielu urządzeń są analizowane pod kątem możliwości wystąpienia potencjalnie niebezpiecznych sytuacji. Następnie dane są poddawane kompresji oraz transmitowane dalej, do centralnego systemu, który ma możliwość natychmiastowego zawiadomienia odpowiednich służb lub zaalarmowania użytkowników. Informacje o stanie sieci są zbierane na bieżąco i w przypadku awarii niedziałający odcinek jest natychmiast izolowany. Jednocześnie, w czasie rzeczywistym i bez konieczności fizycznej interwencji operatora systemu, zasilanie zostaje przywrócone dzięki wykorzystaniu linii sąsiednich.

Realizacja sieci w Allegheny Power pozwoliła na zastosowanie nowego podejścia w zakresie monitoringu i automatycznej kontroli. Pokazało to, jakie w przyszłości mogą być potencjalne możliwości rozszerzenia obszaru i funkcji typowej sieci, w której zastosowano urządzenia i oprogramowanie w dużym stopniu uniwersalne.

Monika Jaworowska