🥇Ülevaade võrguprotokollidest ja sõnumivahetusprotokollidest IoT jaoks

Tere, hubrolased! Eestis esimene IoT-arendaja veebikursus algab OTUSes juba oktoobris. Just nüüd on kursusele registreerimine avatud, seetõttu jagame teiega kasulikke materjale.

Asjade internet (IoT, Internet of Things) ehitatakse olemasoleva võrguinfrastruktuuri, tehnoloogiate ja protokollide põhjal, mida kasutatakse praegu kodudes/ kontorites ja Internetis, pakkudes palju muud.

Selle juhendi eesmärk on anda lühike ülevaade IoT võrgu- ja rakenduse protokollidest.

Märkus. Teil peavad olema teadmised võrgetehnoloogia alustest.

IoT-võrgud

IoT töötab olemasolevates TCP/IP-võrkudes.

TCP/IP kasutab neljatase mudelit kindlate protokollidega igal tasemel. Vaata. understanding the TCP/IP 4 layer model (neljatase mudel TCP/IP mõistmine).

Alloleval diagrammil on võrreldud praegu kasutatavaid protokolle ja neid, mida tõenäoliselt kasutatakse IoT-s.

Märkused diagrammile:

Fondisuurus näitab protokolli populaarsuse astet. Näiteks on vasakul IPv4 suurem, kuna see on kaasaegses Internetis palju populaarsem. Siiski on paremal see väiksem, kuna oodatakse, et IPv6 on IoT-s rohkem populaarne.
Kuvatud ei ole kõiki protokolle.
Kõige rohkem muutusi toimub kanalitasemel (tasemed 1 ja 2) ja rakendustasemetel (tase 4).
Võrk ja transportimise tasemed tõenäoliselt jäävad muutumatuks.

Kanalitaseme protokollid

Kanalitasemel (Data Link) peate seadmed omavahel ühendama. Need võivad asuda nii lähedal, näiteks kohalikes võrkudes, kui ka kaugel üksteisest: linnalistes (metropolitan area networks) ja globaalsetes võrkudes (wide area networks).

Praegu kasutatakse sellel tasemel kodu- ja kontorivõrkudes (LAN) Etherneti ja Wi-Fi-d, samas kui mobiilsetes (WAN) - 3G / 4G. Siiski on paljusid IoT-seadmeid madala võimsusega, näiteks andurid, ja need toimivad ainult patareide abil. Nendel juhtudel ei sobi Ethernet, kuid nõrgalt võimendatud Wi-Fi ja nõrgalt võimendatud Bluetooth võivad toimida.

Kuigi nende seadmete ühendamiseks kasutatakse endiselt olemasolevaid traadita tehnoloogiaid (Wi-Fi, Bluetooth, 3G / 4G), tasub märkida ka uusi tehnoloogiaid, mis on spetsiaalselt loodud IoT rakenduste jaoks, mille populaarsus tõenäoliselt kasvab.

Nende hulgas:

BLE – Bluetooth madala energiaga
LoRaWAN – pikas ulatuses WAN
SigFox
LTE-M

Täpsemalt on need kirjeldatud artiklis Ülevaade IoT traadita tehnoloogiatest (ülevaade IoT traadita tehnoloogiatest).

Võrgutasand

Võrgutasandi (Networking) osas domineerib pikaajalises perspektiivis protokoll IPv6. IPv4 kasutamine tundub ebatõenäoline, kuid see võib mängida teatud rolli esimestel etappidel. Enamik koduakna IoT seadmeid, nagu näiteks nutikad lambid, kasutavad hetkel IPv4.

Transporttase

Transporttasandil (Transport) domineerib Internetis ja veebis TCP. Seda kasutatakse nii HTTP-s kui ka paljudes teistes populaarsetes Interneti protokollides (SMTP, POP3, IMAP4 jne).

MQTT, mis, nagu ma ootan, saab olema üks peamisi rakendustaseme protokolle sõnumite saatmiseks, kasutab hetkel TCP-d.

Kuid tulevikus prognoosin, et madalamate kulude tõttu muutub UDP IoT jaoks populaarsemaks. Tõenäoliselt laieneb MQTT-SN, mis töötab UDP peal. Vaata artiklit TCP vs UDP .

Rakendustase ja sõnumivahetuse protokollid

Olulised omadused IoT protokollide jaoks:

Kiirus — andmete edastamise hulk sekundis.
Viivitus — aeg, mis on vajalik sõnumi edastamiseks.
Energiatarve.
Turvalisus.
Tarkvarade kättesaadavus.

Praegu kasutatakse sellel tasemel aktiivselt kahte peamist protokolli: HTTP ja MQTT.

HTTP on tõenäoliselt selle taseme kõige tuntum protokoll, mis on veebide (WWW) alus. See jääb IoT jaoks endiselt oluliseks, kuna seda kasutatakse REST API-de jaoks — peamine mehhanism veebirakenduste ja teenuste suhtlemiseks. Siiski, kõrgete kulude tõttu ei saa HTTP tõenäoliselt olema peamine IoT protokoll, kuigi seda kasutatakse endiselt laialdaselt Internetis.

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) on muutunud peamiseks sõnumivahetuse protokolliks IoT-s, tänu oma kergusele ja lihtsusele. Vaata artiklit Introduction to MQTT for beginners (MQTT sissejuhatus algajatele).

HTTP ja MQTT võrdlemine IoT jaoks

MQTT muutub kiiresti IoT rakenduste de facto standardiks. See juhtub tänu oma kergusele ja kiirusel võrreldes HTTP-iga ning sellele, et see on „ühelt paljudele“ protokoll, erinevalt „ühelt ühele“ (HTTP).

Paljud kaasaegsed veebirakendused kasutaksid rõõmuga MQTT-d HTTP asemel, kui see oleks olnud nende arendamise ajal saadaval.

Hea näide on teabe saatmine paljudele klientidele, näiteks rongide, busside või lennukite saabumise ja väljumise kohta. Sellises stsenaariumis tähendab "üks-ühele" protokoll, nagu HTTP, suurte kulude ja sellega kaasneva koormuse tekitamist veebiserveritele. Nende veebiserverite skaleerimine võib olla keeruline. MQTT puhul ühenduvad kliendid maakleriga, mille arvu on lihtne suurendada koormuse tasakaalustamiseks. Vaata seda õpetust koos videoga HTML andmete uuesti avaldamine MQTT kaudu (lendude saabumise näide) ja artikkel MQTT vs HTTP IoT jaoks.

Muud sõnumiteed

HTTP ei olnud mõeldud IoT rakendusteks, kuid nagu juba mainitud, kasutatakse seda laialdaselt veel mõnda aega tänu selle laiale kasutusele API.

Peaaegu kõik IoT platvormid toetavad nii HTTP-d kui ka MQTT-d.

Siiski on ka teisi protokolle, mida tasub kaaluda.

Protokollid

MQTT — (Message Queuing Telemetry Transport). Kasutab TCP/IP-d. Publiku-poolse mudeli jaoks on vajalik sõnumite maakler.
AMQP — (Advanced Message Queuing Protocol). Kasutab TCP/IP-d. Publiku-poolse ja punkt-punkt mudel.
COAP — (Constrained Application Protocol). Kasutab UDP-d. On spetsiaalselt välja töötatud IoT jaoks, kasutab HTTP sarnast päringu-vastuse mudelit. RFC 7252.
DDS — (Data Distribution Service)

Selles artiklis vaadeldakse peamised protokollid ja nende rakendused. Selle artikli järeldus on, et IoT kasutab protokollide kogumit, sõltuvalt nende kavandatud kasutusest.

Siiski, kui vaadata tagasi, siis Interneti algusaastatel oli HTTP, mis hiljem muutus domineerivaks protokolliks, vaid üks paljusid protokolle.

Kuigi HTTP-d ei kavandatud algselt failide ja e-posti edastamiseks, kasutatakse seda täna mõlemal eesmärgil.

Ootan, et IoT sõnumiteedega juhtub sama: enamik teenuseid kasutavad üht domineerivat protokolli.

Allpool on Google Trends’i graafikud, mis näitavad, kuidas on MQTT, COAP ja AMQP populaarsus muutunud viimastel aastatel.

Google Trendsi ülevaade

Protokollide toetus platvormide kaupa

Microsoft Azure — MQTT, AMQP, HTTP ja HTTPS
AWS — MQTT, HTTPS, MQTT veebivahendite kaudu
IBM Bluemix – MQTT, HTTPS, MQTT
Thingworx — MQTT, HTTPS, MQTT, AMQP

Elulookirjeldus

Kõige rohkem muutusi toimub kanalitasemel (tasemed 1 ja 2) ja rakendustasemetel (tase 4).

Võrk ja transportimise tasemed tõenäoliselt jäävad muutumatuks.

Rakendustasandil kasutavad IoT komponendid sõnumivahetusprotokolle. Kuigi oleme endiselt IoT arengus varases etapis, on tõenäoline, et eristub üks või kaks sõnumivahetusprotokolli.

Viimase paari aasta jooksul on MQTT saanud kõige populaarsemaks ning sellele keskendun ma praegu ka sellel lehel.

HTTP jääb samuti kasutusele, kuna see on juba hästi integreeritud olemasolevatesse IoT platvormidesse.