نظرة عامة على بروتوكولات الشبكات والمراسلة لإنترنت الأشياء

مرحبا خابروفيتس! أول مطور لإنترنت الأشياء لدورة تدريبية عبر الإنترنت في روسيا تطلق في OTUS في أكتوبر. التسجيل في الدورة مفتوح الآن ، حيث نواصل مشاركة المواد المفيدة معك.

سيتم بناء إنترنت الأشياء (IoT ، إنترنت الأشياء) على رأس البنية التحتية للشبكة الحالية ، والتقنيات والبروتوكولات المستخدمة حاليًا في المنازل / المكاتب والإنترنت ، وسوف تقدم أكثر من ذلك بكثير.

الغرض من هذا الدليل هو تقديم نظرة عامة موجزة عن بروتوكولات الشبكات والتطبيقات الخاصة بإنترنت الأشياء.

ملحوظة. يجب أن يكون لديك المعرفة أساسيات تقنيات الشبكة.

شبكات إنترنت الأشياء

سيتم تشغيل إنترنت الأشياء على شبكات TCP / IP الحالية.

يستخدم TCP / IP نموذجًا من أربع طبقات مع بروتوكولات محددة في كل طبقة. سم. فهم نموذج طبقة TCP / IP 4 (نحن نفهم نموذج الطبقات الأربع لـ TCP / IP).

يوضح الرسم البياني أدناه مقارنة بين البروتوكولات المستخدمة حاليًا وتلك التي يُرجح استخدامها لإنترنت الأشياء.

ملاحظات الرسم البياني:

1. يشير حجم الخط إلى شعبية البروتوكول. على سبيل المثال ، على اليسار ، IPv4 أكبر ، لأنه أكثر شيوعًا على الإنترنت الحديث. ومع ذلك ، فهو أصغر على اليمين حيث من المتوقع أن يكون IPv6 أكثر شيوعًا في إنترنت الأشياء.

2. لا يتم عرض كافة البروتوكولات.

3. معظم التغييرات في القناة (المستويان 1 و 2) ومستويات التطبيق (المستوى 4).

4. من المرجح أن تظل الشبكة وطبقات النقل دون تغيير.

بروتوكولات طبقة الارتباط

على مستوى ارتباط البيانات (Data Link) ، تحتاج إلى توصيل الأجهزة ببعضها البعض. يمكن أن تكون قريبة ، على سبيل المثال ، في الشبكات المحلية (الشبكات المحلية) وعلى مسافة كبيرة من بعضها البعض: في المناطق الحضرية (شبكات المناطق الحضرية) والشبكات العالمية (شبكات المنطقة الواسعة).

حاليًا ، في هذا المستوى ، تستخدم الشبكات المنزلية والمكتبية (LAN) Ethernet و Wi-Fi ، بينما تستخدم شبكات الهاتف المحمول (WAN) 3G / 4G. ومع ذلك ، فإن العديد من أجهزة إنترنت الأشياء منخفضة الطاقة ، مثل المستشعرات ، ولا تعمل إلا بالبطاريات. في هذه الحالات ، لا يكون Ethernet مناسبًا ، ولكن يمكن استخدام شبكة Wi-Fi منخفضة الطاقة وبلوتوث منخفض الطاقة.

بينما سيستمر استخدام التقنيات اللاسلكية الحالية (Wi-Fi ، Bluetooth ، 3G / 4G) لتوصيل هذه الأجهزة ، يجدر أيضًا النظر في التقنيات الجديدة المصممة خصيصًا لتطبيقات إنترنت الأشياء التي من المرجح أن تزداد شعبيتها.

من بينها:

• BLE - بلوتوث منخفض الطاقة

• LoRaWAN - شبكة WAN طويلة المدى

• سيجفوكس

• LTE-M

تم وصفها بمزيد من التفصيل في المقالة. نظرة عامة على تقنيات إنترنت الأشياء اللاسلكية (نظرة عامة على تقنيات إنترنت الأشياء اللاسلكية).

طبقة الشبكة

في طبقة الشبكة (الشبكات) ، سيسود البروتوكول على المدى الطويل IPv6. من غير المحتمل أن يتم استخدام IPv4 ، لكنه قد يلعب دورًا في المراحل المبكرة. تستخدم معظم أجهزة إنترنت الأشياء المنزلية ، مثل مصابيح الإضاءة الذكية ، IPv4 حاليًا.

طبقة النقل 

في طبقة النقل (النقل) ، يهيمن بروتوكول TCP على الإنترنت والويب. يتم استخدامه في كل من HTTP والعديد من بروتوكولات الإنترنت الشائعة الأخرى (SMTP ، POP3 ، IMAP4 ، إلخ).

MQTT ، التي أتوقع أن تصبح أحد بروتوكولات طبقة التطبيق الرئيسية للرسائل ، تستخدم حاليًا TCP.

ومع ذلك ، في المستقبل ، نظرًا لانخفاض النفقات العامة ، أتوقع أن يصبح UDP أكثر شيوعًا لإنترنت الأشياء. ربما أكثر انتشارا MQTT-SN، يعمل على UDP. انظر مقالة المقارنة TCP مقابل UDP .

طبقة التطبيق وبروتوكولات الرسائل

الخصائص المهمة لبروتوكولات إنترنت الأشياء:

• السرعة - مقدار البيانات المنقولة في الثانية.

• الكمون هو الوقت المستغرق لإرسال رسالة.

• استهلاك الطاقة.

• الأمن.

• توافر البرمجيات.

حاليًا ، يتم استخدام بروتوكولين رئيسيين بنشاط على هذا المستوى: HTTP و MQTT.

من المحتمل أن يكون HTTP هو البروتوكول الأكثر شهرة لهذا المستوى الكامن وراء الويب (WWW). ستظل مهمة لإنترنت الأشياء ، حيث يتم استخدامها لواجهة برمجة تطبيقات REST - الآلية الرئيسية للتفاعل بين تطبيقات وخدمات الويب. ومع ذلك ، نظرًا لارتفاع الحمل ، من غير المحتمل أن يصبح HTTP بروتوكول إنترنت الأشياء الرئيسي ، على الرغم من أنه سيظل مستخدمًا على نطاق واسع على الإنترنت.

أصبح MQTT (النقل عن بُعد لخدمة وضع الرسائل في قائمة انتظار) هو بروتوكول المراسلة الرئيسي في إنترنت الأشياء نظرًا لخفة استخدامه وسهولة استخدامه. انظر المقال مقدمة إلى MQTT للمبتدئين (مقدمة إلى MQTT للمبتدئين).

مقارنة بين HTTP و MQTT لإنترنت الأشياء

أصبحت MQTT بسرعة المعيار الفعلي لتطبيقات إنترنت الأشياء. ويرجع ذلك إلى خفته وسرعته مقارنةً بـ HTTP وحقيقة أنه بروتوكول واحد لكثير بدلاً من بروتوكول واحد إلى واحد (HTTP).

ستستخدم العديد من تطبيقات الويب الحديثة MQTT بدلاً من HTTP إذا كانت متوفرة في وقت تطويرها.

خير مثال على ذلك هو إرسال المعلومات إلى العديد من العملاء ، مثل وصول ومغادرة القطارات / الحافلات / الطائرات. في هذا السيناريو ، بروتوكول واحد لواحد مثل HTTP لديه الكثير من الحمل ويضع الكثير من الحمل على خوادم الويب. يمكن أن يكون توسيع نطاق خوادم الويب هذه أمرًا صعبًا. باستخدام MQTT ، يتصل العملاء بالوسيط ، والذي يمكن إضافته بسهولة لموازنة التحميل. شاهد الفيديو التعليمي حول هذا الموضوع إعادة نشر بيانات HTML عبر MQTT (مثال على الرحلات القادمة) والمقال MQTT مقابل HTTP لـ IOT.

بروتوكولات المراسلة الأخرى

لم يتم تصميم HTTP لتطبيقات إنترنت الأشياء ، ولكن كما ذكرنا ، سيتم استخدامه على نطاق واسع لبعض الوقت نظرًا لاستخدامه على نطاق واسع في API.

تدعم جميع منصات إنترنت الأشياء تقريبًا كلاً من HTTP و MQTT.

ومع ذلك ، هناك بروتوكولات أخرى تستحق الدراسة.

بروتوكولات

• MQTT - (نقل الرسائل عن بعد في قائمة انتظار). يستخدم TCP / IP. يتطلب نموذج الاشتراك - النشر وسيطًا للرسائل.

• AMQP - (بروتوكول وضع الرسائل في قائمة انتظار متقدم). يستخدم TCP / IP. الناشر المشترك ونماذج من نقطة إلى نقطة.

• COAP - (بروتوكول التطبيق المقيد). يستخدم UDP. مصمم خصيصًا لإنترنت الأشياء ، ويستخدم نموذج الطلب والاستجابة كما هو الحال في HTTP. RFC 7252.

• DDS - (خدمة توزيع البيانات) 

في هذا مقالة تعتبر البروتوكولات الرئيسية وتطبيقاتها. استنتاج هذه المقالة هو أن إنترنت الأشياء سيستخدم مجموعة من البروتوكولات ، اعتمادًا على الغرض من استخدامها.

ومع ذلك ، في الماضي ، في السنوات الأولى للإنترنت ، كان بروتوكول HTTP الذي سيصبح مهيمنًا مجرد واحد من العديد من البروتوكولات.

على الرغم من أن HTTP لم يتم تصميمه في الأصل لنقل الملفات والبريد الإلكتروني ، إلا أنه يُستخدم اليوم لكليهما.

أتوقع أن يحدث نفس الشيء مع بروتوكولات المراسلة في إنترنت الأشياء: ستستخدم معظم الخدمات بروتوكولًا واحدًا سائدًا.

فيما يلي مخططات Google Trends التي توضح كيف تغيرت شعبية MQTT و COAP و AMQP خلال السنوات القليلة الماضية.

نظرة عامة على Google Trends 

دعم البروتوكول من خلال النظام الأساسي

• مايكروسوفت أزور - MQTT و AMQP و HTTP و HTTPS

• AWS - MQTT ، HTTPS ، MQTT عبر مآخذ الويب

• IBM Bluemix - MQTT ، HTTPS ، MQTT

• ثينجووركس - MQTT ، HTTPS ، MQTT ، AMQP

ملخص

معظم التغييرات في القناة (المستويان 1 و 2) ومستويات التطبيق (المستوى 4).

من المرجح أن تظل الشبكة وطبقات النقل دون تغيير.

في طبقة التطبيق ، ستستخدم مكونات إنترنت الأشياء بروتوكولات المراسلة. على الرغم من أننا ما زلنا في مرحلة مبكرة من تطوير إنترنت الأشياء ، فمن المحتمل أن يكون واحدًا أو ربما بروتوكولين للمراسلة بارزًا.

على مدى السنوات القليلة الماضية ، أصبح MQTT هو الأكثر شعبية ، وأنا الآن أركز على هذا الموقع.

سيستمر استخدام HTTP أيضًا لأنه مدمج جيدًا بالفعل في منصات إنترنت الأشياء الحالية.

هذا كل شئ. ندعوك للتسجيل للحصول على درس تجريبي مجاني حول هذا الموضوع "Chatbot لأوامر سريعة للجهاز".

اقرأ أكثر:

• لماذا أصبحت أنظمة إنترنت الأشياء غير الآمنة للمستهلكين الآن مشكلة تجارية كبيرة

المصدر: www.habr.com