Преглед на мрежови протоколи и протоколи за съобщения за IoT

Здравейте, хабровци! Първият в Русия онлайн курс за IoT разработчик стартира в OTUS през октомври. Записването за курса е отворено в момента, във връзка с което продължаваме да споделяме полезни материали с вас.

Интернет на нещата (IoT, Internet of Things) ще бъде изграден върху съществуващата мрежова инфраструктура, технологии и протоколи, използвани в момента в домовете/офисите и интернет, и ще предлага много повече.

Целта на това ръководство е да предостави кратък преглед на мрежите и протоколите за приложения за IoT.

Забележка. Трябва да имате познания основите на мрежовите технологии.

IoT мрежи

IoT ще работи на съществуващи TCP/IP мрежи.

TCP/IP използва четирислоен модел със специфични протоколи на всеки слой. См. разбиране на модела на TCP/IP 4 слоя (ние разбираме четирислойния модел на TCP / IP).

Диаграмата по-долу показва сравнение на използваните в момента протоколи и тези, които най-вероятно ще бъдат използвани за IoT.

Бележки към диаграмата:

1. Размерът на шрифта показва популярността на протокола. Например вляво IPv4 е по-голям, тъй като е много по-популярен в съвременния интернет. Той обаче е по-малък отдясно, тъй като се очаква IPv6 да бъде по-популярен в IoT.

2. Не всички протоколи са показани.

3. Повечето промени са в канала (нива 1 и 2) и нивата на приложението (ниво 4).

4. Мрежовият и транспортният слой вероятно ще останат непроменени.

Протоколи на ниво връзка

На ниво връзка за данни (Data Link) трябва да свържете устройства едно към друго. Те могат да бъдат както близки, например в локални мрежи (локални мрежи), така и на голямо разстояние една от друга: в градски (градски мрежи) и глобални мрежи (широкообхватни мрежи).

В момента на това ниво домашните и офис мрежите (LAN) използват Ethernet и Wi-Fi, а мобилните (WAN) използват 3G / 4G. Много IoT устройства обаче са с ниска мощност, като например сензори, и се захранват само от батерии. В тези случаи Ethernet не е подходящ, но могат да се използват Wi-Fi с ниска мощност и Bluetooth с ниска мощност.

Въпреки че съществуващите безжични технологии (Wi-Fi, Bluetooth, 3G/4G) ще продължат да се използват за свързване на тези устройства, също така си струва да разгледаме новите технологии, специално предназначени за IoT приложения, чиято популярност вероятно ще нарасне.

Сред тях:

• BLE – Bluetooth с ниска енергия

• LoRaWAN - WAN с голям обхват

• СигФокс

• LTE-M

Те са описани по-подробно в статията. Преглед на IOT безжичните технологии (общ преглед на безжичните IoT технологии).

мрежов слой

В мрежовия слой (Networking) протоколът ще доминира в дългосрочен план IPv6. Малко вероятно е IPv4 да се използва, но може да играе роля в ранните етапи. Повечето домашни IoT устройства, като интелигентни електрически крушки, в момента използват IPv4.

Транспортен слой 

На транспортния слой (Транспорт), Интернет и мрежата са доминирани от TCP. Използва се както в HTTP, така и в много други популярни интернет протоколи (SMTP, POP3, IMAP4 и др.).

MQTT, който очаквам да стане един от основните протоколи на приложния слой за съобщения, в момента използва TCP.

Въпреки това, в бъдеще, поради по-ниските режийни разходи, очаквам UDP да стане по-популярен за IoT. Вероятно по-разпространено MQTT-SN, работещ върху UDP. Вижте статията за сравнение TCP срещу UDP .

Приложен слой и протоколи за съобщения

Важни характеристики за IoT протоколите:

• Скорост - количеството данни, прехвърлени за секунда.

• Латентността е времето, необходимо за изпращане на съобщение.

• Консумирана мощност

• Security.

• Наличие на софтуер.

В момента на това ниво се използват активно два основни протокола: HTTP и MQTT.

HTTP е може би най-известният протокол от това ниво, който е в основата на мрежата (WWW). Той ще продължи да бъде важен за IoT, тъй като се използва за REST API – основният механизъм за взаимодействие между уеб приложения и услуги. Въпреки това, поради високите разходи, HTTP е малко вероятно да стане основният IoT протокол, въпреки че все още ще бъде широко използван в Интернет.

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) се превърна в основния протокол за съобщения в IoT поради своята лекота и лекота на използване. Вижте статията Въведение в MQTT за начинаещи (Въведение в MQTT за начинаещи).

Сравнение на HTTP и MQTT за IoT

MQTT бързо се превръща в де факто стандарт за IoT приложения. Това се дължи на неговата лекота и скорост в сравнение с HTTP и на факта, че е протокол "един към много", а не "един към един" (HTTP).

Много съвременни уеб приложения с радост биха използвали MQTT вместо HTTP, ако беше наличен по време на тяхното разработване.

Добър пример е изпращането на информация до множество клиенти, като пристигащи и заминаващи влакове/автобуси/самолети. В този сценарий протокол "един към един" като HTTP има много режийни разходи и натоварва много уеб сървърите. Мащабирането на тези уеб сървъри може да бъде трудно. С MQTT клиентите се свързват с брокер, който може лесно да се добави за балансиране на натоварването. Гледайте видео урока за това Повторно публикуване на HTML данни през MQTT (пример за пристигащи полети) и статия MQTT срещу HTTP за IOT.

Други протоколи за съобщения

HTTP не е проектиран за IoT приложения, но както споменахме, той ще бъде широко използван известно време поради широкото му използване в API.

Почти всички IoT платформи поддържат HTTP и MQTT.

Има обаче и други протоколи, които си струва да бъдат разгледани.

протоколи

• MQTT - (Телеметричен транспорт на опашка за съобщения). Използва TCP/IP. Моделът публикуване-абониране изисква брокер на съобщения.

• AMQP - (Advanced Message Queuing Protocol). Използва TCP/IP. Модели издател-абонат и от точка до точка.

• COAP - (Протокол за ограничено приложение). Използва UDP. Проектиран специално за IoT, използва модела заявка-отговор като в HTTP. RFC 7252.

• DDS - (Услуга за разпространение на данни) 

В това Статия разглеждат се основните протоколи и техните приложения. Заключението от тази статия е, че IoT ще използва набор от протоколи, в зависимост от предназначението им.

Въпреки това, в ретроспекция, в ранните години на Интернет HTTP протоколът, който ще стане доминиращ, е само един от многото протоколи.

Въпреки че HTTP първоначално не е замислен за прехвърляне на файлове и имейли, днес той се използва и за двете.

Очаквам същото нещо да се случи с протоколите за съобщения в IoT: повечето услуги ще използват един преобладаващ протокол.

По-долу има диаграми на Google Trends, показващи как популярността на MQTT, COAP и AMQP се е променила през последните няколко години.

Общ преглед на Google Trends 

Поддръжка на протоколи по платформа

• Microsoft Azure - MQTT, AMQP, HTTP и HTTPS

• AWS - MQTT, HTTPS, MQTT през websockets

• IBM Bluemix - MQTT,HTTPS,MQTT

• Thingworx — MQTT, HTTPS, MQTT, AMQP

Обобщение

Повечето промени са в канала (нива 1 и 2) и нивата на приложението (ниво 4).

Мрежовият и транспортният слой вероятно ще останат непроменени.

На приложния слой IoT компонентите ще използват протоколи за съобщения. Въпреки че все още сме на ранен етап в развитието на IoT, вероятно един или може би два протокола за съобщения ще се откроят.

През последните няколко години MQTT стана най-популярен и именно върху него се фокусирам сега в този сайт.

HTTP също ще продължи да се използва, тъй като вече е добре вграден в съществуващите IoT платформи.

Това е всичко. Каним ви да се запишете за безплатен демо урок по темата "Чатбот за бързи команди към устройството".

Прочетете още:

• Защо несигурните потребителски IoT системи сега са голям бизнес проблем

Източник: www.habr.com