Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 13813-2:2023 (ISO/IEC 21823-2:2020) về Internet vạn vật - Tính liên tác cho các hệ thống IoT - Phần 2: Tính liên tác vận chuyển là văn bản kỹ thuật quan trọng quy định các yêu cầu và khung kiến trúc nhằm đảm bảo khả năng tương tác, kết nối và truyền tải dữ liệu thông suốt giữa các hệ thống IoT khác nhau cũng như trong nội bộ một hệ thống IoT. Tiêu chuẩn này hướng tới việc thiết lập một hạ tầng kết nối đồng bộ, an toàn và hiệu quả, áp dụng cho các tổ chức, cá nhân tham gia nghiên cứu, phát triển, vận hành và đánh giá các giải pháp công nghệ Internet vạn vật.

Phạm vi và đối tượng áp dụng

Tiêu chuẩn tập trung điều chỉnh các khía cạnh kỹ thuật liên quan đến tính liên tác vận chuyển (transport interoperability) tại các tầng chức năng thấp của mô hình kết nối mạng, bao gồm tầng vật lý, tầng liên kết, tầng mạng và tầng giao vận. Đối tượng áp dụng bao gồm các nhà phát triển thiết bị IoT, các đơn vị cung cấp dịch vụ mạng, các nhà tích hợp hệ thống và các cơ quan quản lý chất lượng công nghệ thông tin tại Việt Nam.

1. Mô hình ngăn xếp kết nối IoT và vai trò kiến trúc

Mô hình ngăn xếp kết nối IoT được xây dựng dựa trên sự tham chiếu từ Mô hình Liên kết hệ thống mở (OSI) bảy tầng, mô hình Internet bốn tầng và Khung kết nối IoT công nghiệp (IIC). Do các mô hình truyền thống không phản ánh đầy đủ các yêu cầu đặc thù của IoT, tiêu chuẩn đề xuất một mô hình tầng chức năng kết nối mới bao gồm các tầng sau:

• Tầng vật lý: Là tầng thấp nhất trong mô hình, chịu trách nhiệm trao đổi các tín hiệu vật lý trên phương tiện truyền dẫn có dây hoặc không dây để kết nối trực tiếp các bên tham gia.
• Tầng liên kết: Thực hiện việc trao đổi các khung dữ liệu (frames) thông qua các giao thức báo hiệu trên liên kết vật lý được chia sẻ giữa các thực thể liền kề.
• Tầng mạng: Đảm nhận vai trò trao đổi các gói tin (packets) và định tuyến chúng qua nhiều liên kết mạng khác nhau để thiết lập giao tiếp giữa các bên.
• Tầng giao vận: Chịu trách nhiệm trao đổi các thông điệp (messages) trực tiếp giữa các ứng dụng tham gia giao tiếp.
• Tầng khung: Thực hiện trao đổi dữ liệu có cấu trúc (bao gồm trạng thái, sự kiện, luồng dữ liệu) với chất lượng dịch vụ (QoS) có thể định cấu hình. Tầng này chứa phương diện cú pháp của mô hình liên tác.

Tiêu chuẩn này tập trung chủ yếu vào bốn tầng dưới (Vật lý, Liên kết, Mạng, Giao vận) vì chúng đóng vai trò quyết định đối với phương diện vận chuyển của hệ thống. Các khía cạnh về cú pháp và ngữ nghĩa dữ liệu nằm ở các tầng trên và nằm ngoài phạm vi điều chỉnh trực tiếp của phần này. Đối với hệ thống IoT, kết nối mạng được chia thành ba tầng chức năng cốt lõi:

• Tầng mạng kết nối: Phát triển các kết nối IP và phi IP nhằm hỗ trợ triển khai ứng dụng IoT trên quy mô lớn.
• Tầng giao vận kết nối: Cung cấp phương tiện mang dữ liệu giữa các điểm cuối, đảm bảo tính liên tác đầu cuối (end-to-end) giữa các thiết bị tham gia trao đổi dữ liệu.
• Tầng mô hình ngăn xếp kết nối: Tạo điều kiện thuận lợi để cấu trúc dữ liệu rõ ràng, giúp các điểm cuối dễ dàng phân tích cú pháp dữ liệu nhận được.

2. Yêu cầu đối với kết nối mạng giữa các hệ thống IoT khác nhau

Để đạt được tính liên tác vận chuyển giữa các hệ thống IoT độc lập thông qua giao diện kết nối c-1, tiêu chuẩn đưa ra các yêu cầu chi tiết trên ba khía cạnh nền tảng:

• Tính liên tác liên quan đến dịch vụ: Đảm bảo giao diện do hệ thống này cung cấp phải hoàn toàn tương thích với mong đợi của hệ thống kia về mặt cú pháp, ngữ nghĩa và hành vi hoạt động.
• Tính liên tác liên quan đến truyền thông: Thiết lập các quy tắc và giao thức truyền thông thống nhất để điều phối hoạt động tương tác giữa các thực thể mạng.
• Tính liên tác liên quan đến tài nguyên mạng: Thống nhất các thuộc tính tài nguyên mạng dùng chung như chất lượng dịch vụ (QoS) và các kênh truyền thông.

Hệ thống giao diện mạng giữa các hệ thống IoT khác nhau bao gồm:

• Giao diện dịch vụ mạng: Hỗ trợ các mô hình trao đổi dữ liệu cơ bản bao gồm: Yêu cầu - Trả lời (Request-Reply) giữa người yêu cầu và người trả lời; Thuê bao công khai (Publish-Subscribe) giúp truyền phát dữ liệu theo chủ đề giữa người xuất bản và người đăng ký; Xử lý ngoại lệ (Exception Handling) để giải quyết các sự cố ngắt kết nối, thay đổi cấu hình hoặc lỗi thành phần; Dịch vụ khám phá (Discovery Service) hỗ trợ phát hiện các dịch vụ, chất lượng dịch vụ và các thực thể tham gia hệ thống.
• Giao diện dịch giao thức mạng: Cung cấp phương thức thống nhất để dịch các giao thức mạng khác nhau, định dạng dữ liệu dưới dạng cấu trúc tuần tự hóa để truyền thông và lưu trữ. Đồng thời, giao diện này quản lý vòng đời đối tượng truyền thông qua bốn thao tác cơ bản (Tạo lập, Đọc, Cập nhật, Xóa - CRUD) và theo dõi trạng thái lịch sử của đối tượng.
• Giao diện tài nguyên mạng: Cho phép truy cập và cấu hình thống nhất các thuộc tính tài nguyên mạng như băng thông và kênh truyền.

Các yêu cầu kỹ thuật cụ thể đối với kết nối mạng liên hệ thống:

• Yêu cầu dịch vụ: Giao diện dịch vụ phải đóng gói toàn bộ dịch vụ sẵn có và tách rời phần triển khai giao diện khỏi logic nghiệp vụ để tối ưu hóa thời gian trễ và băng thông.
• Yêu cầu truyền thông: Giao diện giao thức mạng phải độc lập với các chi tiết kỹ thuật cụ thể của từng giao thức, có khả năng tự cấu hình và tối ưu hóa theo băng thông, thời gian khứ hồi (RTT) và kích thước tin nhắn tối đa.
• Yêu cầu tài nguyên mạng: Cho phép xác định các tập con tài nguyên mạng dựa trên nội dung quan tâm hoặc dựa trên thời gian thực tế để tự động tối ưu hóa hiệu quả quản lý tài nguyên.
• Yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS): Hỗ trợ cả hai phương thức phân phối dữ liệu là nỗ lực tối đa (gửi một lần) và phân phối đáng tin cậy (gửi lại cho đến khi nhận được phản hồi). Đồng thời phải đảm bảo các chỉ số về tính kịp thời, thứ tự truyền phát, độ bền dữ liệu, tuổi thọ dữ liệu và khả năng chịu lỗi của hệ thống.
• Yêu cầu băng thông: Mạng kết nối phải duy trì hiệu suất ổn định về độ trễ và độ chập chờn (jitter) ngay cả trong điều kiện tải lớn, đòi hỏi sự cân bằng tối ưu giữa hiệu suất thời gian và băng thông tiêu thụ.
• Yêu cầu báo hiệu và theo dõi trạng thái: Hỗ trợ truyền dẫn qua nhiều loại tín hiệu vật lý khác nhau và liên tục giám sát sức khỏe, hiệu suất, đặc điểm mức dịch vụ của các phần tử kết nối để phục vụ quản lý và thay thế năng động khi cần thiết.
• Yêu cầu an ninh: Thiết lập các biện pháp bảo vệ riêng biệt phù hợp với từng ứng dụng, bao gồm quản lý ủy quyền trao đổi dữ liệu, bảo đảm tính toàn vẹn, mã hóa luồng dữ liệu nhạy cảm, ghi nhật ký hệ thống và kiểm tra an toàn thông tin.
• Yêu cầu phụ thuộc thời gian: Đảm bảo tất cả các thiết bị trên các hệ thống khác nhau duy trì tính nhất quán về thời gian thông qua giao diện đồng bộ hóa, hướng tới khả năng phản ứng xác định trong các ứng dụng thời gian thực.

3. Yêu cầu đối với kết nối mạng trong nội bộ hệ thống IoT

Kết nối mạng nội bộ đảm bảo sự tương tác thông suốt giữa các thực thể vật lý IoT thông qua sự phối hợp của bốn loại mạng chức năng chính:

• Mạng người dùng: Kết nối các thiết bị hoặc giao diện tương tác của người sử dụng cuối với hệ thống.
• Mạng dịch vụ: Kết nối các thành phần xử lý dịch vụ và ứng dụng trung tâm.
• Mạng truy cập: Đóng vai trò cầu nối truyền tải dữ liệu từ vùng biên vào mạng lõi.
• Mạng lân cận: Kết nối trực tiếp các thiết bị, cảm biến và cơ cấu chấp hành ở khoảng cách gần.

Các phần tử mạng hỗ trợ kết nối nội bộ bao gồm:

• Giao diện dịch vụ mạng nội bộ: Cung cấp đầy đủ các cơ chế trao đổi dữ liệu tương tự như kết nối liên hệ thống bao gồm yêu cầu - trả lời, thuê bao công khai, xử lý ngoại lệ và dịch vụ khám phá.
• Giao diện dịch giao thức mạng nội bộ: Định nghĩa thống nhất cú pháp dữ liệu, thuộc tính đối tượng truyền thông và phương tiện truyền dẫn để đạt được tính liên tác cú pháp giữa các mạng thành phần.
• Giao diện tài nguyên mạng nội bộ: Đảm bảo khả năng truy cập và điều phối đồng bộ các thuộc tính tài nguyên mạng dùng chung.

Vai trò của cổng kết nối (Gateway) trong hệ thống IoT:

Cổng kết nối đóng vai trò then chốt trong việc liên kết hai hoặc nhiều mạng thành phần để tạo thành một hệ thống mạng phức hợp lớn hơn. Tiêu chuẩn khuyến nghị ưu tiên sử dụng các cổng kết nối tiêu chuẩn hóa (cổng lõi) để tối ưu hóa hiệu quả truyền thông giữa các mạng sử dụng các tiêu chuẩn kết nối khác nhau. Tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, sự đánh đổi về mặt chi phí, hiệu năng và hệ sinh thái công nghệ, các hệ thống IoT có thể linh hoạt áp dụng các loại cổng kết nối phù hợp.

Hiệu lực và Tài liệu tham khảo

Tiêu chuẩn TCVN 13813-2:2023 được áp dụng đồng bộ và phối hợp chặt chẽ với các tài liệu tiêu chuẩn liên quan bao gồm: TCVN 13813-1 (Khung liên tác IoT), TCVN 13117:2020 (Kiến trúc tham chiếu IoT) và tài liệu Khung kết nối IoT công nghiệp (IIC Quyển G5) để tạo nên một bộ quy chuẩn hoàn chỉnh cho việc phát triển hạ tầng Internet vạn vật tại Việt Nam.